ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЯМОЙ СИЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2010 года по МПК H02M5/297 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к высоковольтному прямому силовому преобразователю переменного тока (матричному преобразователю, контуру прямого преобразования электроэнергии переменный ток - переменный ток), в частности к высоковольтному прямому силовому преобразователю переменного тока, который обеспечивает высокое выходное напряжение с помощью многоступенчатого последовательного соединения контуров прямого преобразования переменного тока.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.3 показан пример схемы основного контура обычного высоковольтного инвертора. Высоковольтный инвертор непосредственно приводит в движение высоковольтный двигатель с напряжением 3300 В класса 6000 В при форме колебаний с широтно-импульсной модуляцией с различными уровнями напряжения (например, см. непатентный документ 1). На стороне вторичных обмоток многообмоточного трансформатора TF установлены девять обмоток, чтобы получить пониженное выходное напряжение на каждой его вторичной обмотке. Блоки однофазных инверторов U1-U3, V1-V3 и W1-W3 выпрямляют трехфазные напряжения соответствующих выходов на вторичных обмотках трансформатора TF и устанавливают эти выпрямленные напряжения в качестве своих соответствующих источников питания постоянного тока, чтобы получить на выходе однофазные напряжения переменного тока посредством контуров обратного преобразования в однофазную конфигурацию, как делается обычно. Каждый выход блоков однофазных инверторов U1-U3, V1-V3 и W1-W3 соединен параллельно-последовательным соединением для каждой фазы U, фазы V и фазы W, чтобы получить высокое однофазное выходное напряжение для каждой фазы U, V и W, взаимно соединен с одним концом каждого однофазного выхода высокого напряжения в качестве нейтральной точки N и приводит в действие нагрузку, такую как высоковольтный двигатель М, однофазным выходным напряжением, полученным на другом конце, питающем нагрузку. Следует отметить, что каждый блок относится к базовому блоку, составляющему блоки преобразования.

Этот инвертор высокого напряжения не может возвратить регенерированную электроэнергию от нагрузки на сторону питания (сторону трансформатора TF), так как в каждом блоке однофазного инвертора переменный ток преобразован в постоянный посредством выпрямителей. Для того чтобы сделать возможным возврат электроэнергии, требуется отдельный регенеративный преобразователь питания. Был предложен высоковольтный матричный преобразователь, как имеющий функцию возврата электроэнергии, который обеспечивает высокое выходное напряжение путем многоступенчатого соединения однофазных матричных преобразователей (см. патентный документ 1 и непатентный документ 2).

На фиг.4 показана схема основного контура этого высоковольтного матричного преобразователя. На фиг.4 блоки М×С однофазного матричного преобразователя расположены на месте блоков U1-U3, V1-V3 и W1-W3 однофазного инвертора, показанного на фиг.3. Блоки М×С однофазного матричного преобразователя получают однофазные переменные токи непосредственно из трехфазного переменного тока и каждый из них состоит из двунаправленных переключателей S1-S6 и входных фильтров переменного тока (входные LC фильтры), включенных между трехфазным входом и однофазным выходом. Двунаправленные переключатели управляются при помощи широтно-импульсной модуляции с обеспечением подачи однофазного выходного напряжения произвольной частоты и амплитуды, и во время регенерации нагрузки электроэнергия может быть возвращена на сторону питания.

Следует отметить, что для каждой из вторичных обмоток создается разность фаз, чтобы уменьшить ток высших гармоник для многообмоточного трансформатора TF, для обеих схем - на фиг.3 и фиг.4.

Непатентный документ 1: японская газета D Общества инженеров-электриков Японии, статья “Многоуровневая стратегия широтно-импульсной модуляции для систем прямого привода высоковольтных двигателей с учетом обратного воздействия безтоковой паузы” (“A Multilevel PWM Strategy suitable for High-Voltage Motor Direct Drive Systems in Consideration of the Adverse Effect of a Deadtime”), Yugo Tadano и др., том 126, №1, стр.1-9.

Патентный документ 1: Опубликованная заявка на патент Японии № 2005-45999.

Непатентный документ 2: «Приводы двигателей с матричным преобразователем среднего напряжения» (“Motor Drives Using Medium-Voltage Matrix Converter”), Yuzo Ueda и др. Опубликовано как MID-05-22-28 в трудах технической конференции отделения металлургической и металлообрабатывающей промышленности Общества инженеров-электриков Японии, 22 декабря 2005 г.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель изобретения

Обычные высоковольтные инверторы и высоковольтные матричные преобразователи имеют схему основного контура, в которой блоки однофазного инвертора (фиг.3) или блоки однофазного матричного преобразователя (фиг.4) соединены последовательными многоступенчатыми соединениями, и сторона источника питания каждого блока получает питание переменного тока от отдельных вторичных обмоток трансформатора. В такой конфигурации необходимы по меньшей мере девять блоков, кроме того, необходимы девять вторичных трансформаторов (27 вторичных обмоток), при этом устройство становится большим по размеру и сложным.

Кроме того, так как выпрямители и сглаживающий конденсатор требуются для каждого блока схемы, показанной на фиг.3, а для схемы, показанной на фиг.4, для каждого блока требуется LC фильтр, все устройство приобретает большие размеры и повышенную стоимость.

Целью настоящего изобретения является создание высоковольтного прямого силового преобразователя переменного тока, в котором может быть достигнуто упрощение основного контура, включающего трансформатор и LC фильтры.

Для решения вышеописанных проблем настоящее изобретение имеет следующие признаки.

(1) Высоковольтный прямой силовой преобразователь переменного тока, предназначенный для прямого преобразования электроэнергии переменного тока высокого напряжения и содержащий контуры прямого преобразования переменного тока, каждый из которых непосредственно преобразует напряжение и частоту, полученные со входа многообмоточного трансформатора, на котором установлен ряд вторичных обмоток, в произвольные напряжение и частоту, получаемые на его выходе, и LC фильтры, каждый из которых расположен между одной из вторичных обмоток и указанными контурами преобразования, которые соединены по многоступенчатой схеме, при этом высокое напряжение питания непосредственно подается на нагрузку путем управления двунаправленными переключателями, расположенными в каждом из контуров преобразования, причем многоступенчатое соединение соответствующих контуров преобразования выполнено таким образом, что имеется два параллельных соединения на сторонах питания двух параллельно соединенных контуров преобразования для каждой ступени, выводы фаз стороны, противоположной стороне питания, одного из двух параллельно соединенных контуров преобразования ступени минимального напряжения соединены друг с другом, сторона, противоположная стороне питания, одного из двух параллельно соединенных контуров преобразования ступени максимального напряжения соединена с нагрузкой, сторона, противоположная стороне питания, одного из двух параллельно соединенных контуров преобразования каждой из промежуточных ступеней взаимно соединена со стороной, противоположной стороне питания, одного из двух параллельно соединенных контуров преобразования переменного тока предшествующей ступени, а сторона, противоположная стороне питания, другого из двух параллельно соединенных контуров преобразования взаимно соединена со стороной, противоположной стороне питания, одного из двух параллельно соединенных контуров преобразования последующей ступени.

(2) В высоковольтном прямом силовом преобразователе каждый из указанных контуров преобразования является контуром прямого преобразования переменного тока с многофазным входом и многофазным выходом.

(3) В высоковольтном прямом силовом преобразователе на каждой из вторичных обмоток многообмоточного трансформатора имеется взаимная разность фаз для подавления высших гармоник на входе.

(4) В высоковольтном прямом силовом преобразователе каждый из контуров преобразования по отдельности обеспечивает входные колебания синусоидальной формы, а на каждой из вторичных обмоток многообмоточного трансформатора колебания имеют одинаковые фазы для подавления высших гармоник на входе.

(5) В высоковольтном прямом силовом преобразователе два параллельно соединенных контура преобразования представляют собой конфигурацию базового блока, а его контроллер является общим для этой конфигурации.

Эффекты изобретения

Как описано выше, в предложенном высоковольтном прямом преобразователе переменного тока основной контур с трансформатором и LC фильтром может быть упрощен, в частности:

(1) Может быть использован модуль полупроводникового переключающего устройства общего назначения с матричным соединением с многофазным входом и многофазным выходом.

(2) По сравнению с обычными способами устройство может быть получено при том же числе переключающих устройств.

(3) Так как LC фильтры совместно используются параллельно соединенными контурами преобразования, количество LC фильтров может быть уменьшено по сравнению с обычными способами.

(4) Помимо совместного использования LC фильтров управление пульсацией токов смещения с помощью сдвигов фазы несущей частоты контуров преобразования выполняется так, что можно ожидать уменьшения электрических емкостей и размеров LC фильтров.

(5) По сравнению с обычными способами может быть уменьшено количество вторичных обмоток многообмоточного трансформатора.

(6) В отличие от обычных способов сторона выхода прямого преобразователя переменного тока также имеет трехфазное подключение. Таким образом, когда выполняется управление входным током посредством широтно-импульсной модуляции, выявляется степень свободы выбора фазы, которая является источником ограничения, и синусоидальное входное напряжение может быть получено исключительно посредством контура преобразования.

(7) Так как конструкция вторичных обмоток входного многообмоточного трансформатора становится простой, то конструкция, стоимость и размеры трансформатора обеспечивают дополнительные преимущества.

(8) Так как электрическая проводка между параллельными блоками и контроллером может быть использована совместно, может быть достигнуто уменьшение индуктивности проводки и общее использование контроллера.

ЛУЧШИЕ ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вариант выполнения 1

На фиг.1 показана схема основного контура высоковольтного прямого силового преобразователя переменного тока, на которой показан предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения и которая является примером, в котором используется трехфазный прямой силовой преобразователь переменного тока. Далее приводится подробное описание основного контура, показанного на фиг.1.

Многообмоточный трансформатор TF имеет три вторичные обмотки, обеспечивающие разность фаз одной относительно другой. Каждая вторичная обмотка соединена со сторонами питания двух соединенных параллельно контуров прямого преобразования переменного тока МС1А и МС1В, МС2А и МС2В, МС3А и МС3В через LC фильтры. Каждый LC фильтр служит для подавления высших гармоник входных и выходных токов между двумя соединенными параллельно контурами прямого преобразования переменного тока и источником питания переменного тока.

Два соединенных параллельно контура МС1А и МС1В, МС2А и МС2В, МС3А и МС3В прямого преобразования переменного тока состоят из контуров прямого преобразования 3 фазы - 3 фазы переменного тока, как типично показано в МС1А. Два соединенных параллельно контура МС1А и МС1В преобразования обеспечивают самую низкий уровень напряжения, их трехфазные выводы на сторонах питания соединены параллельно во взаимно одинаковых фазах, трехфазные выводы на противоположной стороне одного МС1А из двух параллельно соединенных контуров преобразования соединены друг с другом, чтобы создать нейтральную точку N, а трехфазные выводы противоположной стороны другой МС1В из двух параллельно соединенных контуров преобразования последовательно соединены с противоположной стороной трехфазных выводов на стороне питания следующей ступени одной МС2А из двух параллельно соединенных контуров преобразования, создавая схему с последовательным соединением двух контуров.

Подобным образом два соединенных параллельно контура МС2А и МС2В преобразования, расположенные между ступенями минимального и максимального напряжения, и два соединенных параллельно контура МС3А и МС3В преобразования, обеспечивающие ступень максимального напряжения, представляют собой схемы с последовательным соединением двух контуров. Трехфазные выводы контуров МС2А и МС3А преобразования последовательно соединены с предыдущей ступенью трехфазных выводов на стороне, противоположной стороне питания предыдущей ступени из МС1В и МС2В, а трехфазные выводы на противоположной стороне питания контуров МС2В преобразования соединены с нагрузкой.

Благодаря схеме основного контура предпочтительного варианта достигаются следующие преимущества:

(1) Может использоваться модуль полупроводникового устройства общего назначения с матричным соединением 3 фазы - 3 фазы.

(2) Необходимым количеством переключающих устройств является такое, как показано на фиг.4.

(3) Так как LC фильтры совместно используются двумя параллельно соединенными контурами преобразования, количество входных LC фильтров может быть уменьшено по сравнению со схемой, показанной на фиг.4.

(4) Кроме совместного использования LC фильтров фазы несущей двух параллельно соединенных контуров преобразования сдвинуты, чтобы взаимно сместить пульсации тока, чтобы сделать возможным уменьшение электрической емкости и размеров LC фильтров.

(5) По сравнению с фиг.4 может быть уменьшено число вторичных обмоток многообмоточного трансформатора TF.

(6) В отличие от фиг.4 трехфазное подключение выполнено на стороне, противоположной стороне питания контура преобразования. Поэтому так как степень свободы фазы проявляется в выходном токе, который является источником ограничения, когда выполняется управление входным током посредством широтно-импульсной модуляции, синусоидальная форма на входе может быть получена при помощи только лишь контуров преобразования.

Вариант выполнения 2

В варианте 1 разность фаз создается на вторичной стороне многообмоточного трансформатора, чтобы подавить входные высшие гармоники. Однако если используются признаки и преимущества пункта (6), синусоидальная форма может быть получена на входе каждого из контуров прямого преобразования переменного тока 3 фазы - 3 фазы без создания разности фаз на вторичной стороне трансформатора.

Следовательно, в этом варианте подавление входных высших гармоник может быть достигнуто без создания той же разности фаз на вторичных обмотках многообмоточного трансформатора.

Согласно этому варианту конструкция стороны вторичных обмоток многообмоточного трансформатора становится сложной, и дополнительные выгоды обеспечиваются в плане изготовления, стоимости и размеров.

Вариант выполнения 3

Хотя в каждом из предпочтительных вариантов 1 и 2 контуры прямого преобразования переменного тока 3 фазы - 3 фазы (МС1А, МС1В, МС2А, МС2В, МС3А, МС3В) расположены по одному в своих базовых блоках (ячеистая структура), в этом варианте совместное использование и общая структура могут быть достигнуты посредством центрального процессора управления с двумя параллельно соединенными контурами МС1А и МС1В, МС2А и МС2В, МС3А и МС3В преобразования в качестве конфигурации базового блока (конфигурация, ограниченная пунктирной линией на фиг.1).

Согласно этому варианту проводка между блоком контура преобразования и блоком управления может использоваться совместно, и может быть достигнуто уменьшение индуктивности проводки и общее использование блока управления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 изображает схему основного контура высоковольтного прямого преобразователя переменного тока согласно варианту 1 выполнения настоящего изобретения;

фиг.2 изображает схему основного контура высоковольтного прямого преобразователя переменного тока согласно варианту 2 выполнения настоящего изобретения;

фиг.3 изображает пример схемы основного контура обычного высоковольтного инвертора;

фиг.4 изображает пример схемы основного контура обычного высоковольтного матричного преобразователя.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - упрощение. Структура основного контура с трансформатором и LC фильтром упрощена. LC фильтр соединен последовательно с каждой вторичной обмоткой многообмоточного трансформатора (TF). В контуре прямого преобразования переменного тока ступени МС1А, МС1В, МС2А, МС2В, МС3А и МС3В стороны питания соединены параллельно по две (МС1А и МС1В, МС2А и МС2В, МС3А и МС3В), выводы фаз стороны, противоположной стороне питания, одного из параллельно соединенных контуров преобразования ступени минимального напряжения соединены друг с другом, сторона, противоположная стороне питания, другого из параллельно соединенных контуров преобразования ступени максимального напряжения соединена с нагрузкой, в промежуточных ступенях сторона, противоположная стороне питания, одного из параллельно соединенных контуров преобразования и сторона, противоположная стороне питания, другого из параллельно соединенных контуров преобразования предшествующей ступени соединены друг с другом, а сторона, противоположная стороне питания, другого из двух параллельно соединенных контуров преобразования и сторона, противоположная стороне питания, другого из двух параллельно соединенных контуров преобразования последующей ступени соединены друг с другом. Высоковольтный прямой силовой преобразователь имеет структуру, в которой фазы вторичных обмоток многообмоточного трансформатора отличаются друг от друга, чтобы подавить высшие гармоники на входе, в которой каждый из контуров преобразования по отдельности преобразует входное напряжение в колебания синусоидальной формы, а фазы вторичных обмоток многообмоточного трансформатора одинаковы, чтобы подавить высшие гармоники на входе, и в которой параллельное соединение двух контуров преобразования используется в качестве конфигурации базового блока, а в каждом базовом блоке контроллер выполнен общим. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Высоковольтный прямой силовой преобразователь переменного тока, предназначенный для прямого преобразования электроэнергии переменного тока высокого напряжения и содержащий контуры прямого преобразования переменного тока, каждый из которых непосредственно преобразует напряжение и частоту, полученные со входа многообмоточного трансформатора, на котором установлен ряд вторичных обмоток, в произвольные напряжение и частоту, получаемые на его выходе, и LC фильтры, каждый из которых расположен между одной из вторичных обмоток и указанными контурами преобразования, которые соединены по многоступенчатой схеме, при этом высокое напряжение питания непосредственно подается на нагрузку путем управления двунаправленными переключателями, расположенными в каждом из контуров преобразования, причем многоступенчатое соединение соответствующих контуров преобразования выполнено таким образом, что имеется два параллельных соединения на сторонах питания двух параллельно соединенных контуров преобразования для каждой ступени, выводы фаз стороны, противоположной стороне питания, одного из двух параллельно соединенных контуров преобразования ступени минимального напряжения соединены друг с другом, сторона, противоположная стороне питания, одного из двух параллельно соединенных контуров преобразования ступени максимального напряжения соединена с нагрузкой, сторона, противоположная стороне питания, одного из двух параллельно соединенных контуров преобразования каждой из промежуточных ступеней взаимно соединена со стороной, противоположной стороне питания, другого из двух параллельно соединенных контуров преобразования переменного тока предшествующей ступени, а сторона, противоположная стороне питания, указанного другого из двух параллельно соединенных контуров преобразования взаимно соединена со стороной, противоположной стороне питания, другого из двух параллельно соединенных контуров преобразования последующей ступени.

2. Высоковольтный прямой силовой преобразователь по п.1, в котором каждый из указанных контуров преобразования является контуром прямого преобразования переменного тока с многофазным входом и многофазным выходом.

3. Высоковольтный прямой силовой преобразователь по п.1 или 2, в котором на каждой из вторичных обмоток многообмоточного трансформатора имеется взаимная разность фаз для подавления высших гармоник на входе.

4. Высоковольтный прямой силовой преобразователь по п.1 или 2, в котором каждый из контуров преобразования сам обеспечивает входные колебания синусоидальной формы, а на каждой из вторичных обмоток многообмоточного трансформатора колебания имеют одинаковые фазы для подавления высших гармоник на входе.

5. Высоковольтный прямой силовой преобразователь по п.1 или 2, в котором два параллельно соединенных контура преобразования представляют собой конфигурацию базового блока, а его контроллер является общим для этой конфигурации.