АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР С МНОГОУРОВНЕВОЙ ТОПОЛОГИЕЙ Российский патент 2012 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к устройству для оказания влияния на передачу электроэнергии к имеющей несколько фаз линии переменного тока с фазовыми модулями, которые содержат, соответственно, контактный вывод переменного напряжения для соединения с одной фазой линии переменного тока и два соединительных вывода, причем между каждым соединительным выводом и каждым контактным выводом переменного напряжения проходит ветвь фазового модуля, состоящая из последовательного соединения подмодулей, которые содержат, соответственно, схему на силовых полупроводниковых приборах и накопитель энергии, параллельно подключенный к схеме на силовых полупроводниковых приборах, причем соединительные выводы соединены друг с другом.

Такое устройство уже известно из описания изобретения к патенту США 6075350. Там описан так называемый многоуровневый полупроводниковый преобразователь электроэнергии, который предусмотрен для фильтрования высших гармоник частоты сети линии переменного тока, а также для компенсации реактивной мощности. Уже известный полупроводниковый преобразователь электроэнергии содержит для каждой фазы сети переменного напряжения один фазовый модуль, который имеет контактный вывод переменного напряжения, с помощью которого каждый фазовый модуль соединен, соответственно, с одной фазой линии переменного тока. При этом каждый фазовый модуль содержит последовательное соединение подмодулей, которые выполнены в виде двухполюсников, причем каждый подмодуль имеет конденсатор и параллельно подключенную к конденсатору полную мостовую схему из силовых полупроводниковых приборов. К каждому из этих отключаемых силовых полупроводниковых приборов параллельно с противоположной фазой подключен нулевой вентиль. В качестве отключаемых силовых полупроводниковых приборов во внимание принимают, например, схемные элементы типа IGBT, GTO или подобные. С помощью полной мостовой схемы при целесообразном управлении отключаемыми силовыми полупроводниковыми приборами к зажимам каждого подмодуля можно прикладывать конденсаторное напряжение, нулевое напряжение или инвертированное конденсаторное напряжение. Фазовые модули на своем конце, обращенном от контактного вывода переменного напряжения, соединены в звезду. Посредством подключения или отключения подмодулей с помощью схемы на силовых полупроводниковых приборах можно постепенно ступенями приближать синусоидальное напряжение. При этом полная мостовая схема обеспечивает максимально возможную гибкость при проведении коммутационных операций. Однако полная мостовая схема требует наличия большого числа модулей силовых полупроводниковых приборов, в результате чего увеличиваются расходы на подобное устройство.

Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы предоставить в распоряжение недорогое устройство названного выше вида.

Изобретение решает эту задачу за счет того, что схема на силовых полупроводниковых приборах содержит отключаемые силовые полупроводниковые приборы, которые соединены друг с другом по полумостовой схеме.

В соответствии с изобретением предоставлен активный фильтр с многоуровневой топологией. Другими словами, для каждой фазы или в случае использования активного фильтра в промежуточном звене постоянного тока для каждого полюса предусмотрен фазовый модуль, который состоит из последовательного соединения подмодулей. Подмодули являются двухполюсниками и содержат два контактных зажима. При этом каждый подмодуль имеет накопитель энергии, например конденсатор, к которому параллельно подключена схема на силовых полупроводниковых приборах. В зависимости от управления силовыми полупроводниковыми приборами схемы на силовых полупроводниковых приборах на контактных зажимах может генерироваться напряжение, падающее на накопителе энергии, или нулевое напряжение. В противоположность многоуровневому активному фильтру согласно уровню техники в соответствии с изобретением предусмотрена полумостовая схема. Такие топологии до сих пор были известны только в связи с высоковольтной электропередачей постоянного тока. Использование полной мостовой схемы в связи с высоковольтной электропередачей постоянного тока исключается, так как на основе полной мостовой схемы невозможна подача электроэнергии в промежуточное звено постоянного тока. В основе изобретения лежит идея, что известное лишь из передачи энергии соединение силовых полупроводниковых приборов можно использовать также и для активного фильтра. Подавление высших гармоник в сети переменного тока или в промежуточном звене постоянного тока в соответствии с изобретением также возможно с помощью полумостовой схемы, которая в противоположность уровню техники на своих контактных зажимах не может генерировать инвертированное напряжение накопителя энергии. Большое преимущество полумостовой схемы по сравнению с полной мостовой схемой заключается в расходах, поскольку на основании полумостовой схемы в активном фильтре следует использовать только половину модулей силовых полупроводниковых приборов.

В первой целесообразной форме выполнения полумостовой схемы каждый подмодуль содержит первый контактный зажим, второй контактный зажим, накопитель энергии и содержащую два последовательно соединенных, отключаемых силовых полупроводниковых прибора ветвь силовых полупроводниковых приборов, которая параллельно подключена к накопителю энергии, причем с каждым отключаемым силовым полупроводниковым прибором параллельно соединен противоположный по фазе нулевой вентиль, и точка соединения эмиттера первого отключаемого силового полупроводникового прибора из ветви силовых полупроводниковых приборов и анода противоположного по фазе нулевого вентиля, подчиненного первому отключаемому силовому полупроводниковому прибору, образует первый контактный зажим, и точка соединения отключаемых силовых полупроводниковых приборов из ветви силовых полупроводниковых приборов и нулевых вентилей образует второй контактный зажим.

В форме выполнения, отличающейся от приведенной выше, каждый подмодуль содержит первый контактный зажим и второй контактный зажим, причем схема на силовых полупроводниковых приборах имеет содержащую два последовательно соединенных, отключаемых силовых полупроводниковых прибора ветвь силовых полупроводниковых приборов, которая параллельно подключена к накопителю энергии, при этом с каждым отключаемым силовым полупроводниковым прибором параллельно соединен противоположный по фазе вентиль, и точка соединения коллектора первого отключаемого силового полупроводникового прибора из ветви силовых полупроводниковых приборов и катода противоположного по фазе нулевого вентиля, подчиненного первому отключаемому силовому полупроводниковому прибору, образует первый контактный зажим, и точка соединения отключаемых силовых полупроводниковых приборов из ветви силовых полупроводниковых приборов и нулевого вентиля образует второй контактный зажим.

Согласно целесообразному усовершенствованному варианту осуществления изобретения предусмотрен еще один фазовый модуль, который содержит соединенный с потенциалом Земли заземляющий вывод и два соединительных вывода, причем между каждым соединительным выводом и заземляющим выводом, в каждом случае, проходит ветвь фазового модуля, которая состоит из последовательного соединения подмодулей, при этом каждый соединительный вывод соединен с соединительным выводом оставшихся фазовых модулей. Согласно данному предпочтительному усовершенствованному варианту осуществления изобретения обеспечивается не только демпфирование системы обратной последовательности. Более того, благодаря заземлению создается возможность также и для стекания токов системы нулевой последовательности, так что становится возможным также и их подавление в линии переменного тока.

В соответствии с предпочтительной формой осуществления изобретения предусмотрен конденсаторный модуль с заземляющим выводом и двумя соединительными выводами, при этом между заземляющим выводом и каждым соединительным выводом выполнена конденсаторная ветвь, которая состоит из одного или нескольких включенных последовательно конденсаторов, причем каждый соединительный вывод соединен с соединительным выводом ветвей фазового модуля. Также возможно стекание токов системы нулевой последовательности и через заземляющий вывод конденсаторного модуля. Таким образом, конденсаторный модуль дополнительно к описанному выше фазовому модулю может быть оснащен заземляющим выводом или предусмотрен как раз вместо него. Как у заземленного фазового модуля, так и у конденсаторного модуля целесообразным является центральное расположение заземляющего вывода, таким образом, целесообразна симметричная форма выполнения конденсаторного модуля. Поэтому ветви фазового модуля, проходящие каждый раз между соединительным выводом и заземляющим выводом, являются идентичными. То же самое имеет силу в части последовательного соединения конденсаторов или в части обоих конденсаторов, которые размещены в ветви между заземляющим выводом и соединительным выводом. На основе этой формы выполнения при передаче энергии также может быть обеспечена высокая степень симметрии.

Другие целесообразные формы выполнения и преимущества изобретения являются предметом последующего описания примеров выполнения изобретения со ссылкой на фигуры, где одинаковые ссылочные позиции указывают на одинаково действующие конструктивные элементы схемы, при этом

на фигуре 1 показан пример выполнения устройства по изобретению в заменяющем изображении,

на фигуре 2 показан еще один пример выполнения устройства по изобретению, и

на фигуре 3 показан еще один пример выполнения устройства по изобретению.

На фигуре 1 показан пример выполнения устройства 1 по изобретению, которое подключено к линии 2 переменного тока с фазами 2а, 2b и 2 с. При этом линия 2 переменного тока проходит между сетью 3 электроснабжения и нагрузкой 4, посредством которой происходит несимметричная нагрузка сети 3 электроснабжения или же линии 2 переменного тока, причем одновременно генерируются высшие гармоники номинальной частоты переменного напряжения линии 2 переменного тока. Устройство 1 предусмотрено для компенсации несимметрий и, в частности, для подавления указанных высших гармоник.

Устройство 1, представленное на фигуре 1, содержит три фазовых модуля 5а, 5b и 5с, которые соответственно имеют контактные выводы 6а, 6b и 6с для переменного напряжения, соединенные с фазой 2а, 2b или же 2с линии 2 переменного тока. Кроме того, каждый фазовый модуль 5а, 5b и 5с содержит соответственно два соединительных вывода 7р и 7n, при этом между каждым контактным выводом 6а, 6b и 6с переменного напряжения и каждым соединительным выводом 7р или же 7n проходит ветвь Sap, 8bp, 8cp, 8an, 8bn и 8 сn фазового модуля. Каждая из этих шести ветвей фазового модуля состоит из последовательного соединения подмодулей 9.

Подмодули 9 выполнены в виде двухполюсников и имеют первый контактный зажим 10, а также второй контактный зажим 11. Кроме того, каждый подмодуль 9 имеет в распоряжении ветвь 12 силовых полупроводниковых приборов, которая содержит два соединенных последовательно друг с другом, отключаемых силовых полупроводниковых прибора 13, как, например, схемные элементы типа IGBT. К каждому отключаемому силовому полупроводниковому прибору 13 параллельно с противоположной фазой подключен нулевой вентиль 14. Ветвь 12 силовых полупроводниковых приборов параллельно подключена к конденсатору 15 как накопителю энергии. Эмиттер представленного на фигуре 1 внизу отключаемого силового полупроводникового прибора 13 и анод нулевого вентиля 14, подключенного параллельно к указанному выше, отключаемому силовому полупроводниковому прибору 13, лежат на потенциале первого контактного зажима 10 подмодуля. Второй контактный зажим лежит на потенциале точек соединения между обоими отключаемыми силовыми полупроводниковыми приборами 13 и, таким образом, на потенциале точки соединения между обоими последовательно включенными нулевыми вентилями 14.

В зависимости от управления отключаемыми силовыми полупроводниковыми приборами 13 на контактных зажимах 10 и 11 происходит падение либо конденсаторного напряжения, либо нулевого напряжения. Но этого можно достичь также и с помощью другого указанного выше соединения приведенных конструктивных элементов схемы.

Посредством целесообразного, не показанного на фигуре 1, управления отключаемыми силовыми полупроводниковыми приборами происходит зарядка конденсаторов 15 каждого подмодуля 9. Однако управляющее и регулирующее устройство включает в себя, кроме того, также и способ, с помощью которого распознаются высшие гармоники переменного тока, проходящего в линии переменного тока. Указанные высшие гармоники имеют частоту, которая представляет собой целочисленное кратное номинальным частотам напряжения в линии переменного тока. Посредством целесообразного управления отключаемыми силовыми полупроводниковыми приборами 13 благодаря заряженным конденсаторам 9 генерируется напряжение, которое запускает компенсирующий ток или ток, протекающий через фильтр, который подается в линию 2 переменного тока и способствует тому, чтобы подавлялись высшие гармоники, а также асимметрии тока в линии 2 переменного тока.

На фигуре 2 показан еще один пример устройства 1 по изобретению с фазовыми модулями 5а, 5b и 5с, которые, в каждом случае, имеют две ветви 8ар, 8an, 8bp, 8bn, 8 ср или 8 сn фазового модуля. Для обеспечения возможности отекания токов системы нулевой последовательности предусмотрен дополнительный фазовый модуль 5d, который тоже имеет два соединительных вывода 7р и 7n, которые с помощью соединительного провода соединены с соединительными выводами 7р или же 7n фазовых модулей 5а, 5b и 5с. Однако в противоположность фазовым модулям 5а, 5b и 5с фазовый модуль 5d не имеет контактного вывода переменного напряжения, но имеет заземляющий вывод 16, через который в случае целесообразного управления отключаемыми силовыми полупроводниковыми приборами подмодулей 9 ветвей 8dp и 8dn фазовых модулей могут стекать токи системы нулевой последовательности. Таким образом, согласно такой предпочтительной форме выполнения изобретения имеется возможность также для подавления несимметрий на основании токов системы нулевой последовательности.

На фигуре 3 показан еще один пример выполнения изобретения, но при этом соединительные выводы 7р или 7n фазовых модулей 5а, 5b и 5с соединены с соединительными выводами 7р или 7n фазовых модулей 5а, 5b и 5с посредством соединительных выводов 7р или 7n конденсаторного модуля 17. Конденсаторный модуль 17 содержит заземляющий вывод 16, причем между заземляющим выводом 16 и каждым соединительным выводом 7р или 7n подключен соответственно конденсатор 18. Само собой разумеется, что между заземляющим выводом 16 и каждым соединительным выводом 7р или 7n конденсаторного модуля 17 может быть предусмотрено также несколько последовательно соединенных конденсаторов 18. При этом имеется возможность для стекания токов системы нулевой последовательности через заземляющий вывод 16. Кроме того, благодаря целесообразному управлению отключаемыми силовыми полупроводниковыми приборами фазовых модулей 5а, 5b и 5с имеется возможность для подачи реактивной мощности емкости конденсатора в линию 2 переменного тока. Таким образом, благодаря этой усовершенствованной форме выполнения устройства 1 по изобретению обеспечивается также возможность компенсации реактивной мощности. Разумеется, что в рамках изобретения можно использовать заземленный по центру фазовый модуль, который на фигуре 2 обозначен позицией 5d, также вместе с конденсаторным модулем 16, а также с тремя фазовыми модулями 5а, 5b и 5с, при этом соединительные выводы 7р или 7n через соединительный провод будут присоединены к общему потенциалу.

Предоставлено недорогое устройство (1) для оказания влияния на передачу электроэнергии к имеющей несколько фаз линии (2) переменного тока с фазовыми модулями (5a, 5b, 5c), которые содержат соответственно контактный вывод (6a, 6b, 6c) переменного напряжения для соединения с одной фазой линии (2) переменного тока и два соединительных вывода (7p, 7n), причем между каждым соединительным выводом (7р, 7n) и каждым контактным выводом (6a, 6b, 6c) переменного напряжения проходит ветвь (8ap, 8bp, 8cp, 8an, 8bn, 8cn) фазового модуля, состоящая из последовательного соединения подмодулей (9), которые содержат, соответственно, схему на силовых полупроводниковых приборах и накопитель энергии (15), параллельно подключенный к схеме на силовых полупроводниковых приборах, причем соединительные выводы (7p, 7n) соединены друг с другом, при этом схема на силовых полупроводниковых приборах имеет отключаемые силовые полупроводниковые приборы (13), которые соединены друг с другом по полумостовой схеме. Технический результат - уменьшение стоимости. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство (1) для оказания влияния на передачу электроэнергии к имеющей несколько фаз (2a, 2b, 2c) линии (2) переменного тока с фазовыми модулями (5a, 5b, 5c), которые содержат соответственно контактный вывод (6a, 6b, 6c) переменного напряжения для соединения с одной фазой линии (2) переменного тока и два соединительных вывода (7p, 7n), причем между каждым соединительным выводом (7p, 7n) и каждым контактным выводом (6a, 6b, 6c) переменного напряжения проходит ветвь (8aр, 8bp, 8cp, 8an, 8bn, 8 сn) фазового модуля, состоящая из последовательного соединения подмодулей (9), которые содержат соответственно схему на силовых полупроводниковых приборах и накопитель (15) энергии, параллельно подключенный к схеме на силовых полупроводниковых приборах, причем соединительные выводы (7p, 7n) соединены друг с другом, отличающееся тем, что схема на силовых полупроводниковых приборах содержит отключаемые силовые полупроводниковые приборы (13), которые соединены друг с другом по полумостовой схеме.

2. Устройство (1) по п.1, отличающееся тем, что каждый подмодуль (9) содержит первый контактный зажим (10), второй контактный зажим (11), накопитель энергии (15) и содержащую два последовательно соединенных, отключаемых силовых полупроводниковых прибора (13) ветвь (12) силовых полупроводниковых приборов, которая параллельно подключена к накопителю (15) энергии, причем с каждым отключаемым силовым полупроводниковым прибором (13) параллельно соединен противоположный по фазе нулевой вентиль (14), и точка соединения эмиттера первого отключаемого силового полупроводникового прибора (13) из ветви силовых полупроводниковых приборов и анода противоположного по фазе нулевого вентиля (14), подчиненного первому отключаемому силовому полупроводниковому прибору, образует первый контактный зажим (10), и точка соединения отключаемых силовых полупроводниковых приборов (13) из ветви (12) силовых полупроводниковых приборов и нулевых вентилей (14) образует второй контактный зажим (11).

3. Устройство (1) по п.1, отличающееся тем, что каждый подмодуль (9) содержит первый контактный зажим, второй контактный зажим, причем схема на силовых полупроводниковых приборах имеет содержащую два последовательно соединенных, отключаемых силовых полупроводниковых прибора ветвь силовых полупроводниковых приборов, которая параллельно подключена к накопителю энергии, при этом с каждым отключаемым силовым полупроводниковым прибором параллельно соединен противоположный по фазе вентиль, и точка соединения коллектора первого отключаемого силового полупроводникового прибора из ветви силовых полупроводниковых приборов и катода противоположного по фазе нулевого вентиля, подчиненного первому отключаемому силовому полупроводниковому прибору, образует первый контактный зажим, и точка соединения отключаемых силовых полупроводниковых приборов из ветви силовых полупроводниковых приборов и нулевого вентиля образует второй контактный зажим.

4. Устройство (1) по п.2, отличающееся тем, что содержит дополнительный фазовый модуль (8d), который содержит соединенный с потенциалом Земли заземляющий вывод (16) и два соединительных вывода (7p, 7n), причем между каждым соединительным выводом (7p, 7n) и заземляющим выводом (16) в каждом случае проходит ветвь (8dp, 8dn) фазового модуля, которая состоит из последовательного соединения подмодулей (9), при этом каждый соединительный вывод (7p, 7n) соединен с соединительным выводом (7p, 7n) оставшихся фазовых модулей (5a, 5b, 5c).

5. Устройство (1) по п.4, отличающееся тем, что содержит конденсаторный модуль (17) с заземляющим выводом (16) и двумя соединительными выводами (7p, 7n), при этом между заземляющим выводом (16) и каждым соединительным выводом (7p, 7n) в каждом случае проходит конденсаторная ветвь, которая состоит из одного или нескольких последовательно включенных конденсаторов (18), причем каждый соединительный вывод (7p, 7n) соединен с соединительным выводом (7p, 7n) ветвей (5a, 5b, 5c) фазового модуля.

6. Устройство (1) по п.3, отличающееся тем, что содержит дополнительный фазовый модуль (8d), который содержит соединенный с потенциалом Земли заземляющий вывод (16) и два соединительных вывода (7p, 7n), причем между каждым соединительным выводом (7p, 7n) и заземляющим выводом (16) в каждом случае проходит ветвь (8dp, 8dn) фазового модуля, которая состоит из последовательного соединения подмодулей (9), при этом каждый соединительный вывод (7p, 7n) соединен с соединительным выводом (7p, 7n) оставшихся фазовых модулей (5a, 5b, 5c).

7. Устройство (1) по п.6, отличающееся тем, что содержит конденсаторный модуль (17) с заземляющим выводом (16) и двумя соединительными выводами (7p, 7n), при этом между заземляющим выводом (16) и каждым соединительным выводом (7p, 7n) в каждом случае проходит конденсаторная ветвь, которая состоит из одного или нескольких последовательно включенных конденсаторов (18), причем каждый соединительный вывод (7p, 7n) соединен с соединительным выводом (7p, 7n) ветвей (5a, 5b, 5c) фазового модуля.