УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2009 года по МПК H02M7/48 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству преобразования энергии для преобразования электропитания постоянным током (DC) из мощности постоянного тока (DC) в мощность переменного тока (АС) или для преобразования электропитания переменного тока в мощность постоянного тока, и более конкретно к устройству преобразования энергии, способному легко обеспечить большую мощность (высокое напряжение, большой ток).

Уровень техники

Устройства преобразования энергии для преобразования постоянного тока в переменный ток или переменного тока в постоянный ток приблизительно классифицируются на устройства преобразования энергии типа напряжения и устройства преобразования энергии типа тока (см., например, непатентный документ 1, приведенный ниже).

Устройства преобразования энергии типа напряжения представлены инверторами типа напряжения, которые включают и выключают напряжение постоянного тока и постоянный ток, используя устройство внутренней коммутации, тем самым преобразуя мощность постоянного тока в мощность переменного тока или мощность переменного тока электропитания переменного тока в мощность постоянного тока.

Когда устройство внутренней коммутации находится в выключенном состоянии, ток резко падает, например, от около 1000 А/µс до нуля и напряжение резко возрастает, тем самым генерируя импульсное напряжение посредством индуктивности цепи. В частности, для реализации большой мощности (высокого напряжения, большого тока) цепь должна быть выполнена более длинной из-за высокого напряжения, тем самым увеличивая индуктивность и ток. Поэтому трудно реализовать большую мощность.

Устройства преобразования энергии типа тока представлены тиристорным преобразователем для преобразования мощности переменного тока электропитания переменным током в мощность постоянного тока. Длительностью периода включенного состояния тиристора управляют синхронно с циклом напряжения электропитания переменным током, в результате чего ток тиристора становится равным нулю посредством коммутации электропитания, использующим напряжение электропитания переменного тока, при этом выключая тиристор.

В этом случае, хотя тиристором можно управлять, лишь когда он находится во включенном состоянии, он имеет простую структуру и может легко реализовать высокое напряжение и большой ток. Более того, в тиристорном преобразователе скорость изменения тока, когда устройство находится во включенном и выключенном состоянии, составляет около 10 А/µc, и если устройство используется в качестве устройства преобразования энергии, оно может относительно легко обеспечить большую мощность (высокое напряжение, большой ток).

Инвертор типа коммутации нагрузки (также сокращенно называемый как ИКН) является другим типичным примером устройства преобразования энергии типа тока для преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока. Этот инвертор аналогичен по своей основной структуре тиристорному преобразователю. В этом случае, однако, синхронный двигатель подсоединен в качестве нагрузки переменного тока к инвертору, и ток, протекающий через тиристор, становится равным нулю, то есть тиристор выключается посредством коммутации нагрузки, основанной на наведенном напряжении синхронного двигателя.

Сочетание инвертора типа коммутации нагрузки и синхронного двигателя называется тиристорным двигателем или тиристорным бесколлекторным двигателем, которое может относительно легко обеспечить большую мощность (высокое напряжение и большой ток) аналогично тиристорному преобразователю.

Кроме того, были предложены изобретения, использующие устройство внутренней коммутации в качестве полупроводникового устройства питания в устройстве преобразования энергии типа тока, (см., например следующие патентные документы 1-6).

Непатентный документ 1: "Цепи силовой электроники" ("Power Elektronics circuits"), стр.137 и стр.155, составленный Институтом инженеров-электриков, Комитетом по исследованию полупроводниковой системы преобразования энергии и опубликованный 30 ноября 2000 г. фирмой Ом Корпорейшн ("Ohm Corporation").

Патентный документ 1: Японская заявка на патент, опубликованная в японском сборнике патентной документации Кокай (KOKAI), №5-115178, фиг.1.

Патентный документ 2: Японская заявка на патент, опубликованная в японском сборнике патентной документации Кокай (KOKAI), №5-122936, фиг.1.

Патентный документ 3: Японская заявка на патент, опубликованная в японском сборнике патентной документации Кокай (KOKAI), №5-236759, фиг.1 и 6.

Патентный документ 4: Японская заявка на патент, опубликованная в японском сборнике патентной документации Кокай (KOKAI), №5-236760, фиг.1.

Патентный документ 5: Японская заявка на патент, опубликованная в японском сборнике патентной документации Кокай (KOKAI), №6-30568, фиг.1.

Патентный документ 6: Японская заявка на патент, опубликованная в японском сборнике патентной документации Кокай (KOKAI), №7-222462, фиг.1 и 3.

Раскрытие изобретения

Очень трудно обеспечить большую мощность (высокое напряжение, большой ток) устройства преобразования энергии типа напряжения. Наоборот, относительно легко обеспечить большую мощность устройства преобразования энергии типа тока. Устройство преобразования энергии типа тока имеет, однако, более низкий коэффициент мощности стороны переменного тока, так как оно использует коммутацию электропитания или коммутацию нагрузки. Более того, были предложены изобретения, в которых используется устройство внутренней коммутации в устройстве преобразования энергии типа тока, чтобы повысить коэффициент мощности. Однако они содержат большое число базовых структурных элементов, то есть имеют сложную структуру.

Настоящее изобретение было разработано для решения вышеупомянутых проблем, и оно направленно на разработку эффективного в стоимостном выражении устройства преобразования энергии, способного легко обеспечить большую мощность (высокое напряжение, большой ток), повышенный коэффициент мощности и сниженное число основных структурных элементов для облегчения его изготовления.

Благодаря выполненному в виде блока средству содействия связи, подключенному последовательно между точкой последовательного присоединения первого и второго полупроводниковых устройств питания, настоящее изобретение обеспечивает эффективное в стоимостном выражении устройство преобразования энергии, способное легко обеспечить большую мощность (высокое напряжение, большой ток), улучшенный коэффициент мощности и сниженное число основных структурных элементов для облегчения его изготовления.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - принципиальная схема, иллюстрирующая устройство преобразования энергии согласно первому воплощению изобретения.

Фиг.2 - принципиальная схема, иллюстрирующая работу устройства преобразования энергии по фиг.1.

Фиг.3 - другая принципиальная схема, иллюстрирующая другую работу устройства преобразования энергии по фиг.1.

Фиг.4 - еще одна принципиальная схема, иллюстрирующая еще одну работу устройства преобразования энергии по фиг.1.

Фиг.5 - дополнительная принципиальная схема, иллюстрирующая дополнительную работу устройства преобразования энергии по фиг.1.

Фиг.6 - временная диаграмма, полезная для пояснения работы устройства преобразования энергии по фиг.1.

Фиг.7 - принципиальная схема, иллюстрирующая устройство преобразования энергии согласно второму воплощению изобретения.

Фиг.8 - принципиальная схема, иллюстрирующая устройство преобразования энергии согласно третьему воплощению изобретения.

Фиг.9 - принципиальная схема, иллюстрирующая устройство преобразования энергии согласно четвертому воплощению изобретения.,

Фиг.10 - принципиальная схема, иллюстрирующая устройство преобразования энергии согласно пятому воплощению изобретения.

Фиг.11- принципиальная схема, иллюстрирующая устройство преобразования энергии согласно шестому воплощению изобретения.

Осуществление изобретения

Фиг.1 - принципиальная схема, иллюстрирующая устройство преобразования энергии согласно первому воплощению изобретения, которое используется в качестве инвертора для преобразования мощности постоянного тока электропитания 1 постоянным током в мощность переменного тока, причем инвертор подсоединен к синхронному двигателю 29, являющемуся примером бесколлекторного двигателя, который используется в качестве нагрузки переменного тока.

Устройство преобразования энергии преобразует постоянный ток из источника постоянного тока в переменный ток или преобразует переменный ток из источника переменного тока в постоянный ток и содержит:

последовательные схемы, в которых по меньшей мере три плеча соединены друг с другом параллельно, и каждое из упомянутых плеч соединено с первым и вторым полупроводниковыми устройствами 5 и 6 питания;

точки 7, 14 и 21 последовательного присоединения между первым и вторым полупроводниковыми устройствами 5 и 6 питания упомянутых последовательных схем; и

выводы 26, 27 и 28 переменного тока, электрически соединенные с упомянутыми точками последовательного присоединения и выполненные раздельно с ними,

причем проводящее/непроводящее состояние каждого полупроводникового устройства 5 и 6 питания управляется для подачи полученной мощности в нагрузку 29,

при этом по меньшей мере одно из выполненных в виде блока средств 8, 15 и 22 содействия связи содержит (i) зарядные элементы 11, 18 и 25, выполненные с возможностью заряжаться/разряжаться и соединенные последовательно между точками 7, 14 и 21 последовательного присоединения и выводами 26, 27 и 28 переменного тока, и (ii) первое и второе устройства 9 и 10 внутренней коммутации, которые встречно подсоединены параллельно упомянутым зарядным элементам и подсоединены последовательно между точками 7, 14 и 21 последовательного присоединения и выводом 26, 27 и 28 переменного тока.

А именно, выполненное в виде блока средство 8 содействия связи подсоединено между точкой 7 присоединения тиристоров 5 и 6 и выводом 26 переменного тока. Аналогичным образом выполненное в виде блока средство 15 содействия связи подсоединено между точкой 14 присоединения тиристоров 12 и 13 и выводом 27 переменного тока. Более того, выполненное в виде блока средство 22 содействия связи подсоединено между точкой 21 присоединения тиристоров 19 и 20 и выводом 28 переменного тока. Если исключены выполненные в виде блока средства 8, 15 и 22 содействия связи, то вся структура будет аналогична структуре обычного бесколлекторного двигателя (тиристорного двигателя).

Выполненное в виде блока средство 8 содействия связи содержит заряжаемый/разряжаемый зарядный элемент, например конденсатор 11, и первое и второе устройства 9 и 10 внутренней коммутации, подсоединенные к конденсатору 11 способом встречно-параллельного включения. Аналогичным образом выполненное в виде блока средство 15 содействия связи содержит заряжаемый/разряжаемый зарядный элемент, например конденсатор 18, и первое и второе устройства, например устройства 16 и 17 внутренней коммутации типа обратной блокировки, подсоединенное к конденсатору 18 способом встречно-параллельного включения. Выполненное в виде блока средство 22 содействия связи содержит заряжаемый/разряжаемый зарядный элемент, например конденсатор 25, и первое и второе устройства, например устройства 23 и 24 внутренней коммутации типа обратной блокировки, подсоединенное к конденсатору 25 способом встречно-параллельного включения. Инвертор также содержит средство 100 управления для управления в предварительно заданные моменты времени электропроводностью/неэлектропроводностью устройств 9 и 10, 16 и 17, 23 и 24 внутренней коммутации, выполненных в виде блока средств 8, 15 и 22 содействия связи. Более конкретно, устройство 100 управления подает соответствующие сигналы электропроводности к устройствам 9 и 10, 16 и 17, 23 и 24 внутренней коммутации в моменты времени, показанные на фиг.6, в соответствии с сигналами электропроводности от тиристоров 5, 6, 12, 13, 19 и 20.

Во время операции коммутации, как показано на фиг.6, средство 100 управления включает состояние зарядки, например, конденсатора 11, выполненного в виде блока средства 8 содействия связи, которое находилось в рабочем состоянии непосредственно перед операцией коммутации, и также включает состояние разрядки, например, конденсатора 25, выполненного в виде блока средства 22 содействия связи, которое будет принимать рабочее состояние во время операции коммутации. С этой целью средство 100 управления получает в качестве входных сигналов сигналы, указывающие на состояние, например состояние электропроводности тиристоров 5, 6, 12, 13, 19 и 20.

Со ссылкой на фиг.2-6 будет приведено описание функции и результата первого воплощения изобретения, выполненного, как упомянуто выше. Предположим сейчас, что, как показано на фиг.2, ток течет от электропитания 1 постоянным током и возвращается к нему через дроссель 2 постоянного тока, положительный вывод 3 постоянного тока, тиристор 5, устройство 9 внутренней коммутации типа обратной блокировки, вывод 26 переменного тока, U-фазу и W-фазу синхронного двигателя 29, вывод 28 переменного тока, устройство 24 внутренней коммутации типа обратной блокировки, тиристор 20 и отрицательный вывод 4 постоянного тока. Далее предположим, что вывод переменного тока конденсатора 18 установлен на +.

В этот момент времени поток тока от тиристора 5 к U-фазе синхронного двигателя 29 изменяется на поток тока от тиристора 12 к V-фазе двигателя 29. С этой целью включаются тиристор 12 и устройство 16 внутренней коммутации типа обратной блокировки, и выключается устройство 9 внутренней коммутации типа обратной блокировки. Когда выключается устройство 9 внутренней коммутации типа обратной блокировки, ток течет через конденсатор 11, и точка 7 последовательного подсоединения получает заряд +, как показано на фиг.3.

Более того, поскольку включен тиристор 12, ток поступает в V-фазу синхронного двигателя 29 через конденсатор 18. Никакого тока не поступает в устройство 16 внутренней коммутации типа обратной блокировки, поскольку к нему приложено обратное напряжение.

В известном уровне техники коммутация от тока U-фазы к току V-фазы обусловлена разностью наведенных напряжений между U-фазой и V-фазой синхронного двигателя 29. Наоборот, в первом воплощении изобретения коммутация обусловлена напряжениями, приложенными к конденсаторам 11 и 18, а также разностью наведенных напряжений между U-фазой и V-фазой синхронного двигателя 29. Когда заканчивается разряд конденсатора 18, прямое напряжение прикладывается к устройству 16 внутренней коммутации типа обратной блокировки, и ток течет в устройство 16 внутренней коммутации типа обратной блокировки, вместо того чтобы течь в конденсатор 18.

Как описано выше и как показано на фиг.4, ток U-фазы становится равным нулю, и тиристор 5 выключается, весь ток от положительного вывода переменного тока течет через тиристор 12 и V-фазу, сторона точки 7 последовательного подсоединения конденсатора 11 получает заряд +, и конденсатор 18 разряжается, а напряжение на нем снижается до нуля вольт, что является концом операции коммутации. Во время операции коммутации, хотя конденсатор 18 разряжен, заряжается конденсатор 11, и напряжение на нем увеличивается от нуля вольт. А именно, по существу, прилагается постоянное напряжение во время операции коммутации.

После этого протекание тока от W-фазы синхронного двигателя 29 к отрицательному выводу 4 постоянного тока через тиристор 20 изменяется на протекание тока от U-фазы двигателя 29 к выводу 4 через тиристор 6. С этой целью включаются тиристор 6 и устройство 10 внутренней коммутации, и выключается устройство 24 внутренней коммутации. Электроэнергия, накопленная в конденсаторе 11 в результате предшествующей операции коммутации, усиливает эффект коммутации тока, протекающего от синхронного двигателя 29. Тиристор 20 выключается соответственно той же самой операцией, что и вышеупомянутая коммутация с U-фазы на V-фазу. Более того, как показано на фиг.5, ток протекает к отрицательному выводу постоянного тока через U-фазу, устройство 10 внутренней коммутации и тиристор 6, сторона конденсатора 25 вывода переменного тока получает заряд +, и конденсатор 11 разряжается, а напряжение на нем снижается до нуля вольт, что является концом операции коммутации.

После этого протекание тока от тиристора 12 к V-фазе синхронного двигателя 29 изменяется на протекание тока от тиристора 19 к W-фазе двигателя 29. В предшествующей операции коммутации сторона конденсатора 25 вывода 28 переменного тока получает заряд +, и настоящее состояние цепи является эквивалентным полученному состоянию, когда U-фаза, V-фаза и W-фаза заменены соответственно V-фазой, W-фазой и U-фазой. Тиристор 19 и устройство 23 внутренней коммутации типа обратной блокировки соответственно включаются, а устройство 16 внутренней коммутации типа обратной блокировки выключается, тем самым выключая тиристор 12 и заставляя ток протекать от положительного вывода постоянного тока через тиристор 19.

После операций коммутации от тиристора 5 к тиристору 12, от тиристора 20 к тиристору 6 и от тиристора 12 к тиристору 19 последовательно выполняются операции коммутации от тиристора 6 к тиристору 13, от тиристора 19 к тиристору 5 и от тиристора 13 к тиристору 20. Ряд операций считается одним циклом, и операции повторяются, заставляя переменный ток с импульсами прямоугольной формы протекать в синхронный двигатель 29 в качестве нагрузки переменного тока.

Фиг.6 - вид, полезный для пояснения вышеупомянутых операций. На фиг.6, например, U+ указывает на положительное направление протекания тока от положительного вывода 3 постоянного тока к U-фазе синхронного двигателя 29, а U-, например, указывает на отрицательное направление протекания тока от U-фазы синхронного двигателя 29 к отрицательному выводу 4 постоянного тока. Более того, знак "+", касающийся сигналов напряжения конденсаторов 11, 18 и 22, указывает на то, что сторона каждого конденсатора вывода переменного тока заряжается со знаком +. Когда ток положительного направления в U-фазе двигателя 29 течет в V-фазу двигателя 29 для того, чтобы тем самым выключить тиристор 5, конденсатор 11 заряжается со знаком -. Когда включен тиристор 6, напряжение на конденсаторе 11 разряжается и используется для того, чтобы заставить ток отрицательного направления в W-фазе течь в U-фазу. Более того, когда ток отрицательного направления в U-фазе течет в V-фазу, конденсатор 11 заряжается со знаком +, и напряжение на конденсаторе 11 используется, когда ток положительного направления в W-фазе течет в U-фазу.

Для пояснения фундаментальной операции, например, в момент времени А (см. фиг.6), в который включается операция коммутации от тиристора 5 к тиристору 12, тиристор 12, устройство 9 внутренней коммутации типа обратной блокировки включаются, а в тоже самое время выключается устройство 9 внутренней коммутации типа обратной блокировки. Однако не всегда является необходимым одновременное включение и выключение элементов. Если устройство 9 внутренней коммутации типа обратной блокировки более медленно выключается, чем включается тиристор 12, заряд конденсатора 11 начинается раньше, тем самым увеличивая зарядное напряжение. Наоборот, если устройство 9 внутренней коммутации типа обратной блокировки более медленно выключается, зарядное напряжение может быть понижено. Коммутацией можно управлять посредством управления временем выключения каждого устройства внутренней коммутации типа обратной блокировки в соответствии с величиной тока, фазой и/или уровнем напряжения переменного тока, индуктивностью синхронного двигателя и т.д.

Более того, ток начинает течь в устройство 16 внутренней коммутации типа обратной блокировки в момент времени В по фиг.6 и будет достаточным, если элемент включится сразу же перед началом. Время включения элемента 16 может быть произвольно определено в соответствии с назначением, например снижением потерь стробирующей цепи, и/или в соответствии с характеристиками устройства 16 внутренней коммутации типа обратной блокировки.

Более того, если все устройства внутренней коммутации типа обратной блокировки удерживаются включенными, средство содействия связи не работает, устройство воплощения изобретения может быть задействовано таким же образом, как и обычные тиристорные устройства.

Как описано выше, поскольку первое воплощение изобретения получают установкой выполненных в виде блока средств 8, 5 и 22 содействия связи, каждое из которых образовано из устройства внутренней коммутации типа обратной блокировки и конденсатора, между выводом переменного тока обычного устройства тиристорного преобразования энергии типа тока и синхронным двигателем 29 в качестве нагрузки переменного тока напряжения, генерированные на конденсаторах 11, 18 и 25, могут складываться с наведенным напряжением двигателя 29, используемого для коммутации нагрузки.

В результате, первое воплощение изобретения может создать высокоэффективное устройство преобразования энергии, которое может легко реализовать большую мощность (высокое напряжение, большой ток), может иметь улучшенные коэффициент мощности и потери переключения. Это устройство преобразования энергии является более эффективным в стоимостном выражении и требует меньшего числа структурных элементов, а поэтому может быть изготовлено более простым образом, чем какой - либо другой тип устройства преобразования энергии, изобретенный для того же назначения, как и вышеупомянутый. Более того, если устройство преобразования энергии первого воплощения изобретения используется вместо обычных устройств преобразования энергии, оно может быть использовано для различных целей и может реализовать большую мощность, высокий коэффициент мощности и высокий кпд. В частности, если преобразователь, устройство инвертора и синхронный двигатель, к которым применимо настоящее изобретение, объединить, бесколлекторный двигатель может работать с коэффициентом мощности электропитания переменного тока, по существу, равным 1 и коэффициентом мощности синхронного двигателя, по существу, равным 1. Таким образом, диапазон приложений изобретения является широким, и, таким образом, изобретение может обеспечить значительный пульсирующий эффект.

Для достижения коэффициента мощности, равного 1, синхронного двигателя, установленного в обычном тиристорном двигателе, необходимо сделать угол опережения коммутации равным 0° (в общем, выражающийся углом (β). В этом случае разность в наведенных напряжениях на двух фазах, подвергающихся коммутации, становится равной 0, поэтому не работает функция коммутации нагрузки, что означает, что операция коммутации выпадает, и не может быть продолжена нормальная операция. Более того, при запуске устройства или при низкой частоте вращения наведенное напряжение синхронного двигателя является низким, поэтому не может быть использована функция коммутации, и требуется некоторый прием, такой как работа в повторно-кратковременном режиме, для прерывистого останова в подаче тока на стороне электропитания постоянного тока. Даже если в таких ситуациях, как упомянуто выше, в которых не может быть использована функция коммутации нагрузки, выполненные в виде блока средства 8, 15 и 22 содействия связи обеспечивают возможность коммутации, обеспечивают возможность реализации коэффициента мощности, равного 1, и обеспечивают возможность активирования и работы с низкой скоростью без каких-либо специфических средств.

Посредством установки на 1 коэффициента мощности синхронного двигателя 29 могут быть минимизированы колебания в крутящем моменте и могут быть устранены пульсации крутящего момента, вызванные прерывистым остановом в подаче тока при запуске или работе с низкой скоростью.

Более того, если конденсаторы 1, 18 и 25 выполненных в виде блока средств 8, 15 и 22 содействия связи могут иметь небольшие емкости для увеличения напряжений, генерированных на них, может быть использован в качестве нагрузки асинхронный двигатель с коэффициентом мощности при отстающем токе. Таким образом, устройство преобразования энергии воплощения изобретения может быть использовано в различных целях.

Хотя устройства 9, 10, 16, 17, 23 и 24 внутренней коммутации типа обратной блокировки принудительно отключают ток, конденсаторы 11, 18 и 25, подсоединенные параллельно, реализуют режим, называемый отключением при нуле напряжения (ОНН), который, по существу, предотвращает появление импульсного напряжения и тем самым заставляет напряжение удерживаться, по существу, на нулевом значении во время переключения, приводя, в результате, к почти полному отсутствию потерь переключения. Более того, ток начинает течь, когда напряжение на конденсаторе, по существу, равно нулю, при котором инвертируется напряжение. По этой причине также почти отсутствуют потери переключения.

Фиг.7 показывает второе воплощение изобретения, в котором генерируется более высокое напряжение. В тиристорном устройстве преобразования энергии этого воплощения для генерирования высокого напряжения подсоединены последовательно каждая пара тиристоров 5 и 5, 6 и 6, 12 и 12, 13 и 13, 19 и 19, и 20 и 20. Поскольку скорость переключения устройств внутренней коммутации типа обратной блокировки является высокой, то если они подсоединены последовательно, будет трудно достичь баланса напряжений во время переключения, и поэтому будет необходимо увеличить длину электропроводки. В результате, высока вероятность импульсного напряжения.

Во втором воплощении изобретения установлены два выполненных в виде блока средства 8 и 8 содействия связи, два выполненных в виде блока средства 15 и 15 содействия связи и два выполненных в виде блока средства 22 и 22 содействия связи, причем каждая пара выполненных в виде блока средств содействия связи подсоединена последовательно. А именно, как показано, два выполненных в виде блока средства 8 и 8 содействия связи, каждый из которых образован из устройств 9 и 10 внутренней коммутации типа обратной блокировки, подсоединенных к конденсатору 1 способом встречно-параллельного включения, подсоединены последовательно. Аналогичным образом два выполненных в виде блока средства 15 и 15 содействия связи, каждый из которых образован из устройств 16 и 17 внутренней коммутации типа обратной блокировки, подсоединенных к конденсатору 18 способом встречно-параллельного включения, подсоединены последовательно. Более того, два выполненных в виде блока средства 22 и 22 содействия связи, каждый из которых образован из устройств 23 и 24 внутренней коммутации типа обратной блокировки, подсоединенных к конденсатору 25 способом встречно-параллельного включения, подсоединены последовательно. В этом случае скорость изменения в токах, протекающих через электропроводку, между выполненными в виде блока средствами 8 и 8, между средствами 15 и 15 и между средствами 22 и 22, является малой, поэтому даже в случае, когда увеличена длина электропроводки, не будет иметь место импульсное напряжение.

Фиг.8 показывает преобразователь согласно третьему воплощению изобретения. Хотя преобразователь отличается от структуры по фиг.1, они совершенно аналогичны друг другу. Первый отличается от последнего только тем, что первый преобразователь использует 3-фазное электропитание 30 переменным током вместо синхронного двигателя 29 и нагрузку 31 постоянного тока вместо электропитания 1 постоянным током, и тем, что в первом преобразователе анодный вывод 3 постоянного тока (положительный вывод 3 постоянного тока) и катодный вывод 4 постоянного тока (отрицательный вывод 4 постоянного тока) размещены в направлении, противоположном направлению соответствующих элементов в последнем преобразователе относительно положений тиристоров 5, 6, 12, 13, 19 и 20. В обычном тиристорном преобразователе углом отпирания (в общем, выражаемым как угол α) каждого тиристора управляют внутри диапазона (0-180)°, тем самым управляя напряжением на нагрузке 31 постоянного тока. В этом случае ток, протекающий в электропитание 30 переменным током, равен по амплитуде току нагрузки, а фаза волны основного типа тока задерживается на угол отпирания α. Таким образом, всегда течет задержанный реактивный ток. Наоборот, в третьем воплощении изобретения угол отпирания α может быть установлен на отрицательное значение, тем самым генерируя опережающий реактивный ток. Если образована нагрузка 31 постоянного тока из дросселя постоянного тока, почти только опережающий реактивный ток может протекать в электропитание 30 3-фазным переменным током, при этом, в результате, может быть использовано электропитание 30 в качестве статического устройства компенсации реактивной мощности (СКРМ).

Фиг 9 и 10 показывают четвертое и пятое воплощения изобретения. Как показано на этих чертежах, основная структура 32 изобретения подсоединена параллельно или последовательно к обычному тиристорному преобразователю 34, в результате чего взаимные реактивные токи смещены для образования преобразователя с коэффициентом мощности, по существу, равным 1. Следует заметить, что трансформатор 33 установлен между электропитанием 30 3-фазным переменным током и основной структурой 32.

Фиг.11 показывает шестое воплощение изобретения. Шестое воплощение изобретения получают сочетанием тиристорного преобразователя 34, имеющего коэффициент мощности, по существу, равный 1, с коллекторным двигателем по фиг.1, использующим многообмоточный синхронный двигатель. Таким образом, бесколлекторный двигатель шестого воплощения может работать с коэффициентом мощности синхронного двигателя и электропитанием переменным током, установленным, по существу, на 1. Благодаря такому сочетанию колебания в генерированном крутящем моменте могут быть снижены до незначительного диапазона, который можно не принимать во внимание.

Устройство преобразования энергии, показанное на Фиг.11, имеет следующую структуру:

устройство преобразования энергии содержит преобразователь 32, преобразующий переменный ток из источника 30 переменного тока в постоянный, устройство 34 коммутации, коммутирующее переменный ток из источника 30 переменного тока, и по меньшей мере два инвертора 32, преобразующих постоянный ток из упомянутого преобразователя 32 и упомянутого устройства 34 коммутации в переменный ток, причем

упомянутый преобразователь 32 содержит (i) последовательные схемы, в которых по меньшей мере три плеча соединены друг с другом параллельно, и каждое из упомянутых плеч соединено с первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами 5, 6, 12, 13, 19 и 20 питания, (ii) анодный вывод 3, присоединенный к анодам первых полупроводниковых устройств питания последовательных схем, (iii) катодный вывод 4, присоединенный ко вторым полупроводниковым устройствам питания последовательных схем, (vi) точки 7, 14 и 21 последовательного присоединения между первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания упомянутых последовательных схем, и (v) выводы 26, 27 и 28 переменного тока, электрически соединенные с упомянутыми точками 7, 14 и 21 последовательного присоединения и выполненные раздельно с ними,

упомянутое устройство 34 коммутации содержит (i) последовательные схемы, в которых по меньшей мере три плеча соединены друг с другом параллельно, и каждое из упомянутых плеч соединено с первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами 5, 6, 12, 13, 19 и 20 питания, (ii) анодный вывод 3, присоединенный к анодам первых полупроводниковых устройств питания последовательных схем, (iii) катодный вывод 4, присоединенный ко вторым полупроводниковым устройствам питания последовательных схем, (vi) точки 7, 14 и 21 последовательного присоединения между первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания упомянутых последовательных схем; и (v) выводы 26, 27 и 28 переменного тока, электрически соединенные с упомянутыми точками 7, 14 и 21 последовательного присоединения и выполненные раздельно с ними,

каждый из упомянутых по меньшей мере двух инверторов 32 содержит (i) последовательные схемы, в которых по меньшей мере три плеча соединены друг с другом параллельно, и каждое из упомянутых плеч соединено с первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами 5, 6, 12, 13, 19 и 20 питания, (ii) анодный вывод 3, присоединенный к анодам первых полупроводниковых устройств питания последовательных схем, (iii) катодный вывод 4, присоединенный ко вторым полупроводниковым устройствам питания последовательных схем, (vi) точки 7, 14 и 21 последовательного присоединения между первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания упомянутых последовательных схем; и (v) выводы 26, 27 и 28 переменного тока, электрически соединенные с упомянутыми точками 7, 14 и 21 последовательного присоединения и выполненные раздельно с ними,

причем катодный вывод 4 преобразователя 32 присоединен к анодному выводу 3 каждого из упомянутых инверторов, анодный вывод 3 устройства 34 коммутации присоединен к катодному выводу 4 катодного вывода 4 каждого из упомянутых инверторов, а катодный вывод 4 упомянутого устройства коммутации 34 присоединен к анодному выводу 3 преобразователя 32, и

при этом проводящее/непроводящее состояние каждого из полупроводниковых устройств питания преобразователя 32 и проводящее/непроводящее состояние каждого из полупроводниковых устройств питания устройства 34 коммутации управляется для выдачи полученного постоянного тока в упомянутые по меньшей мере два инвертора 32, а проводящее/непроводящее состояние каждого из полупроводниковых устройств питания упомянутых по меньшей мере двух инверторов 32 управляется для выдачи полученного переменного тока в устройство в синхронное устройство,

при этом по меньшей мере одно выполненное в виде блока средство содействия связи, которое содержит (i) зарядные элементы, выполненные с возможностью заряжаться/разряжаться и соединенные последовательно между выводами переменного тока 26, 27 и 28 и точками 7, 14 и 21 последовательного присоединения преобразователя 32 и упомянутых по меньшей мере двух инверторов 32, и (ii) первое и второе устройства внутренней коммутации, которые встречно подсоединены параллельно упомянутым зарядным элементам; и

средство управления, заставляющее синхронное устройство и источник 30 переменного тока работать с коэффициентом мощности, по существу, равным 1, и заставляющее во время операции коммутации один из зарядных элементов упомянутого по меньшей мере одного из выполненных в виде блока средств содействия связи, которое находилось в рабочем состоянии непосредственно перед операцией коммутации, принимать заряженное состояние, а также заставляющее во время операции коммутации один другой из зарядных элементов упомянутого по меньшей мере одного из выполненных в виде блока средств содействия связи, которое начало работать во время операции коммутации, принимать разряженное состояние.

Вышеупомянутые воплощения используют устройства внутренней коммутации типа обратной блокировки в качестве элементов самогашения, выполненных в виде блока средств 8, 15 и 22 содействия связи. Однако могут быть использованы стандартные элементы самогашения типа проводимости в обратном направлении или сочетания стандартных элементов самогашения типа проводимости в обратном направлении и диоды или тиристоры, причем компоненты каждого сочетания подсоединены последовательно, вместо устройств внутренней коммутации типа обратной блокировки.

Хотя в вышеописанных воплощениях изобретения используются тиристоры в качестве первого и второго силовых полупроводниковых устройств (ламповые устройства или силовые полупроводниковые устройства), подсоединенных последовательно в каждом плече, могут быть использованы в качестве полупроводниковых устройств питания другие устройства, отличные от тиристоров.

Более того, хотя в воплощениях изобретения синхронный двигатель или асинхронный двигатель используются в качестве нагрузки переменного тока, могут быть также использованы синхронный генератор или асинхронный генератор.

Разумеется, средство 100 управления, показанное на фиг.2-5 и 7-11, имеет ту же самую функцию, что и средство управления, показанное на фиг.1. Более того, средство 100 управления может быть выполнено за одно целое с цепью управления стробированием, описанной в первом воплощении изобретения, которая управляет электропроводностью/неэлектропроводностью тиристоров 5, 6, 12, 13, 19 и 20.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может быть использовано в качестве полупроводникового двигателя, такого как тиристорный двигатель, в качестве бесколлекторного двигателя, такого как тиристорный бесколлекторный двигатель, или в качестве устройства компенсации реактивной мощности.

Устройство преобразования энергии образовано подсоединением выполненного в виде блока средства (8, 15, 22) содействия связи последовательно между выводом (7, 14, 21) переменного тока, установленным в устройстве преобразования энергии типа тока и нагрузкой (29) переменного тока. Средство содействия связи содержит средство (9, 10, 16, 17, 23, 24) внутренней коммутации типа обратной блокировки и конденсатор (11, 18, 25). Посредством управления переключением устройств (9, 10, 16, 17, 23, 24) внутренней коммутации типа обратной блокировки генерируется напряжение на конденсаторе (11, 18, 25), и оно дополнительно используется для операции коммутации электропитания. Благодаря такой структуре достигается технический результат: устройство преобразования энергии может легко обеспечить большую мощность (высокое напряжение, большой ток) и иметь улучшенный коэффициент мощности. Более того, структура обеспечивает возможность снизить число требующихся основных элементов, и поэтому дает возможность изготовить устройство преобразования энергии легким и более экономичным образом. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство преобразования энергии, преобразующее постоянный ток из источника постоянного тока в переменный ток, или преобразующее переменный ток из источника переменного тока в постоянный ток, причем устройство преобразования энергии содержит: последовательные схемы, в которых по меньшей мере три плеча соединены друг с другом параллельно, и каждое из упомянутых плеч соединено с первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания; точки последовательного присоединения между первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания упомянутых последовательных схем; и выводы переменного тока, электрически соединенные с упомянутыми точками последовательного присоединения и выполненные раздельно с ними, причем проводящее/непроводящее состояние каждого из полупроводниковых устройств питания управляется для подачи полученной мощности в нагрузку, отличающееся тем, что по меньшей мере одно из выполненных в виде блока средств содействия связи содержит зарядные элементы, выполненные с возможностью заряжаться/разряжаться и соединенные последовательно между точками последовательного присоединения и выводами переменного тока, и первые и вторые устройства внутренней коммутации, которые встречно подсоединены параллельно упомянутым зарядным элементам и подсоединены последовательно между точками последовательного присоединения и выводом переменного тока.

2. Устройство преобразования энергии по п.1, отличающееся тем, что содержит дополнительно средство управления, заставляющее во время операции коммутации зарядный элемент одного из множества выполненных в виде блока средств содействия связи, которое находилось в рабочем состоянии непосредственно перед операцией коммутации, принимать заряженное состояние, и заставляющее во время коммутации зарядный элемент одного из множества выполненных в виде блока средств содействия связи, которое будет вновь работать во время операции коммутации, принимать разряженное состояние.

3. Устройство преобразования энергии по п.1 или 2, отличающееся тем, что электропитание постоянным током или нагрузка постоянного тока подсоединены между анодным выводом, соединенным с анодами первых полупроводниковых устройств питания последовательных схем, и катодным выводом, соединенным со вторыми полупроводниковыми устройствами питания последовательных схем, а электропитание переменным током или нагрузка переменного тока подсоединены к выводу переменного тока.

4. Устройство преобразования энергии по п.1 или 2, отличающееся тем, что синхронный двигатель подсоединен к выводу переменного тока и работает с коэффициентом мощности, по существу, равным 1.

5. Устройство преобразования энергии по п.1 или 2, отличающееся тем, что нагрузка является индукционным устройством.

6. Устройство преобразования энергии по п.1 или 2, отличающееся тем, что электропитание переменным током подсоединено к выводу переменного тока, а дроссель постоянного тока подсоединен между анодным выводом, соединенным с анодами первых полупроводниковых устройств питания последовательных схем, и катодным выводом, соединенным со вторыми полупроводниковыми устройствами питания последовательных схем, тем самым заставляя течь опережающий реактивный ток от электропитания переменным током.

7. Устройство преобразования энергии, содержащее преобразователь, который преобразует переменный ток из источника переменного тока в постоянный ток, и устройство коммутации, которое коммутирует переменный ток из источника переменного тока, причем преобразователь содержит последовательные схемы, в которых по меньшей мере три плеча соединены друг с другом параллельно, и каждое из упомянутых плеч соединено с первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания, анодный вывод, присоединенный к анодам первых полупроводниковых устройств питания последовательных схем, катодный вывод, присоединенный ко вторым полупроводниковым устройствам питания последовательных схем, точки последовательного присоединения между первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания упомянутых последовательных схем; и выводы переменного тока, электрически соединенные с упомянутыми точками последовательного присоединения и выполненные раздельно с ними, отличающееся тем, что катодный терминал упомянутого устройства коммутации присоединен к анодному выводу преобразователя, нагрузка присоединена к анодному выводу упомянутого устройства коммутации и к катодному выводу преобразователя, источник переменного тока присоединен к выводам переменного тока и работает с коэффициентом мощности, по существу, равным 1.

8. Устройство преобразования энергии по п.7, отличающееся тем, что дроссель постоянного тока присоединен между анодным терминалом упомянутого устройства коммутации и анодным терминалом упомянутого преобразователя и/или между катодным терминалом упомянутого устройства коммутации и катодным терминалом упомянутого преобразователя.

9. Устройство преобразования энергии, содержащее преобразователь, преобразующий переменный ток из источника переменного тока в постоянный, устройство коммутации, коммутирующее переменный ток из источника переменного тока и по меньшей мере два инвертора преобразующих постоянный ток из упомянутого преобразователя и упомянутого устройства коммутации в переменный ток, причем упомянутый преобразователь содержит последовательные схемы, в которых по меньшей мере три плеча соединены друг с другом параллельно, и каждое из упомянутых плеч соединено с первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания, анодный вывод, присоединенный к анодам первых полупроводниковых устройств питания последовательных схем, катодный вывод, присоединенный ко вторым полупроводниковым устройствам питания последовательных схем, точки последовательного присоединения между первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания упомянутых последовательных схем; и выводы переменного тока, электрически соединенные с упомянутыми точками последовательного присоединения и выполненные раздельно с ними, упомянутое устройство коммутации содержит последовательные схемы, в которых по меньшей мере три плеча соединены друг с другом параллельно, и каждое из упомянутых плеч соединено с первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания, анодный вывод, присоединенный к анодам первых полупроводниковых устройств питания последовательных схем, катодный вывод, присоединенный ко вторым полупроводниковым устройствам питания последовательных схем, точки последовательного присоединения между первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания упомянутых последовательных схем; и выводы переменного тока, электрически соединенные с упомянутыми точками последовательного присоединения и выполненные раздельно с ними, каждый из упомянутых по меньшей мере двух инверторов содержит последовательные схемы, в которых по меньшей мере три плеча соединены друг с другом параллельно, и каждое из упомянутых плеч соединено с первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания, анодный вывод, присоединенный к анодам первых полупроводниковых устройств питания последовательных схем, катодный вывод, присоединенный ко вторым полупроводниковым устройствам питания последовательных схем, точки последовательного присоединения между первыми и вторыми полупроводниковыми устройствами питания упомянутых последовательных схем; и выводы переменного тока, электрически соединенные с упомянутыми точками последовательного присоединения и выполненные раздельно с ними, причем катодный вывод преобразователя присоединен к анодному выводу каждого из упомянутых инверторов, анодный вывод устройства коммутации присоединен к катодному выводу катодного вывода каждого из упомянутых инверторов, а катодный вывод упомянутого устройства коммутации присоединен к анодному выводу преобразователя, и при этом проводящее/непроводящее состояние каждого из полупроводниковых устройств питания преобразователя и проводящее/непроводящее состояние каждого из полупроводниковых устройств питания устройства коммутации управляется для выдачи полученного постоянного тока в упомянутые по меньшей мере два инвертора, а проводящее/непроводящее состояние каждого из полупроводниковых устройств питания упомянутых по меньшей мере двух инверторов управляется для выдачи полученного переменного тока в устройство в синхронное устройство, отличающееся тем, что дополнительно содержит по меньшей мере одно выполненное в виде блока средство содействия связи, которое содержит зарядные элементы, выполненные с возможностью заряжаться/разряжаться и соединенные последовательно между выводами переменного тока и точками последовательного присоединения преобразователя и упомянутых по меньшей мере двух инверторов, и первые, и вторые устройства внутренней коммутации, которые встречно подсоединены параллельно упомянутым зарядным элементам; и средство управления, заставляющее синхронное устройство и источник переменного тока работать с коэффициентом мощности, по существу, равным 1, и заставляющее во время операции коммутации один из зарядных элементов упомянутого по меньшей мере одного из выполненных в виде блока средств содействия связи, которое находилось в рабочем состоянии непосредственно перед операцией коммутации, принимать заряженное состояние, а также заставляющее во время операции коммутации один другой из зарядных элементов упомянутого по меньшей мере одного из выполненных в виде блока средств содействия связи, которое начало работать во время операции коммутации, принимать разряженное состояние.