СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ РЕЗЕРВИРОВАНИИ МНОГОФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ НАКОПИТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ Российский патент 2013 года по МПК H02H7/10 H02H7/12 H02M7/49 

Изобретение относится к способу управления многофазным выпрямителем переменного тока с распределенными накопителями энергии.

Из DE 10103031 известен выпрямитель переменного тока с распределенными накопителями энергии. Эквивалентная схема подобного выпрямителя переменного тока более подробно представлена на фиг.1. Согласно этой эквивалентной схеме, данный известный выпрямитель переменного тока, который обозначен как 102, имеет три фазных модуля, которые обозначены, соответственно, как 100. Эти фазные модули 100 на стороне постоянного напряжения электропроводно соединены, соответственно, с положительной и отрицательной сборной шиной P₀ и N₀ постоянного напряжения. Между этими обеими сборными шинами P₀ и N₀ постоянного напряжения в случае преобразователя переменного тока с промежуточным контуром напряжения было бы включено последовательное соединение двух конденсаторов С1 и С2, на которых имеет место падение постоянного напряжения U_d. Точка соединения этих обоих электрически последовательно включенных конденсаторов С1 и С2 образует виртуальную среднюю точку (нейтраль) О. Каждый фазный модуль 100, который образует ветвь моста многофазного выпрямителя переменного тока, имеет верхнюю и нижнюю частичную ветвь моста, которая, так как частичные ветви моста представляют соответствующий выпрямительный вентиль многофазного выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии, далее называется ветвью Т1 или Т3, или Т5 и Т2 или Т4, или Т6 вентилей. Каждая из этих ветвей Т1-Т6 вентилей имеет некоторое число включенных электрически последовательно двухполюсных подсистем 10. В этой эквивалентной схеме выпрямителя 102 переменного тока каждая из ветвей Т1-Т6 вентилей имеет четыре двухполюсных подмодуля 10. Однако число подсистем 10 на ветвь Т1, …, Т6 вентилей не ограничено этим представленным числом. Каждая точка соединения двух ветвей Т1 и Т2, или Т3 и Т4, или Т5 и Т6 вентилей фазного модуля 100 образует вывод L1 или L2 или L3 стороны переменного напряжения фазного модуля 100. Так как в этом изображении выпрямитель 102 переменного тока имеет три фазных модуля 100, то к их выводам L1, L2 и L3 стороны переменного напряжения, также называемым нагрузочными выводами, может подключаться трехфазная нагрузка, например двигатель трехфазного тока.

На фиг.2 более подробно показана эквивалентная схема известной формы выполнения двухполюсной подсистемы 10. Схемное устройство по фиг.3 представляет функционально полностью равноценный вариант. Обе формы выполнения двухполюсной подсистемы 10 известны из DE 10103031 A1. Эти известные двухполюсные подсистемы 10 имеют, соответственно, два отключаемых полупроводниковых переключателя 1 и 3, два диода 2 и 4 и униполярный накопительный конденсатор 9. Оба отключаемых полупроводниковых переключателя 1 и 3 соединены электрически последовательно, причем эта схема последовательного соединения включена электрически параллельно накопительному конденсатору 9. С каждым из отключаемых полупроводниковых переключателей 1 и 3 электрически параллельно подключен один из обоих диодов 2 и 4 таким образом, что они по отношению к соответствующим отключаемым полупроводниковым переключателям 1 и 3 включены антипараллельно. Униполярный накопительный конденсатор 9 подсистемы 10 состоит либо из одного конденсатора, либо из батареи конденсаторов, состоящей из нескольких таких конденсаторов. Точка соединения эмиттера отключаемого полупроводникового переключателя 1 и анода диода 2 образует соединительную клемму Х1 подсистемы 10. Точка соединения эмиттера обоих отключаемых полупроводниковых переключателей 1 и 3 и обоих диодов 2 и 4 образует вторую соединительную клемму Х2 подсистемы 10.

В форме выполнения двухполюсной подсистемы 10 согласно фиг.3 эта точка соединения образует первую соединительную клемму Х1. Точка соединения коллектора отключаемого полупроводникового переключателя 1 и катода диода 2 образует вторую соединительную клемму Х2 подсистемы 10.

В обеих формах выполнения двухполюсной подсистемы 10 согласно фиг.2 и 3 в качестве отключаемых полупроводниковых переключателей 1 и 3 применяются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Также могут применяться полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП). Кроме того, могут применяться двухоперационные диодные тиристоры (GTO) или коммутируемые тиристоры с интегральным затвором (IGCT).

Согласно DE 10103031 A1, двухполюсные подсистемы 10 каждого фазного модуля 100 выпрямителя 102 переменного тока по фиг.1 могут управляться для переключения в состояние переключения I, II и III. В состоянии переключения I отключаемый полупроводниковый переключатель 1 включен, а отключаемый полупроводниковый переключатель 3 выключен. Тем самым существующее на соединительных клеммах Х1 и Х2 клеммное напряжение U_x21 двухполюсной подсистемы 10 равно нулю. В состоянии переключения II отключаемый полупроводниковый переключатель 1 выключен, а отключаемый полупроводниковый переключатель 3 включен. В этом состоянии переключения II существующее клеммное напряжение U_x21 равно конденсаторному напряжению U_C, существующему на накопительном конденсаторе 9. В состоянии переключения III оба отключаемых полупроводниковых переключателя 1 и 3 выключены, и существующее на накопительном конденсаторе 9 конденсаторное напряжение U_C является постоянным.

Для того чтобы этот выпрямитель 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии согласно фиг.1 мог работать с резервированием, должно гарантироваться, что неисправная подсистема 10 на своих клеммах Х1 и Х2 была продолжительно короткозамкнута. Это означает, что клеммное напряжение U_x21 неисправной двухполюсной подсистемы 10 независимо от направления тока через клеммы Х1 и Х2 равно нулю.

Из-за отказа одного из имеющихся в подсистеме 10 отключаемых полупроводниковых переключателей 1 и 3 или относящейся к ним схемы управления, корректное функционирование этой подсистемы 10 нарушается. Другими возможными причинами для сбоев функционирования, в числе прочего, являются неисправности в соответствующей схеме управления полупроводниковых переключателей, их энергопитании, связи и определении измеренных значений. Это означает, что двухполюсная подсистема 10 не может больше надлежащим образом управляться в одном из возможных состояний переключения I, II или III. За счет короткого замыкания подсистемы 10 на ее выводы Х1 и Х2 к этой подсистеме больше не подводится никакая энергия. За счет этого косвенные убытки, такие как перегрев и сгорание при дальнейшей эксплуатации преобразователя переменного тока, надежно исключаются.

Подобное проводящее соединение типа короткого замыкания между соединительными клеммами Х1 и Х2 неисправной двухполюсной подсистемы 10 должно надежным образом и без перегрева отводить по меньшей мере рабочий ток ветви Т1, …, Т6 вентилей фазного модуля 100, в котором находится неисправная двухполюсная подсистема 10. В DE 102005040543 A1 указано, каким образом неисправная двухполюсная подсистема 10 может надежным образом становиться короткозамкнутой, чтобы этот известный выпрямитель 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии мог далее эксплуатироваться с резервированием.

Для последующего пояснения предположим, что накопительные конденсаторы 9 всех двухполюсных подсистем 10 имеют соответствующее одинаковое напряжение U_C. Способ для начального установления этого состояния и его поддержания при работе также известен из DE 10103031 A1. На фиг.4 на диаграмме по времени t представлена характеристика изменения разности потенциалов U_PL на клемме Р фазного модуля 100 по отношению к сетевому выводу L. На фиг.5 на диаграмме по времени t представлена характеристика разности потенциалов U_LN нагрузочного вывода L фазного модуля 100 по отношению к потенциалу на клемме N. Согласно этим характеристикам потенциалов U_PL и U_LN в моменты времени t1, …, t8 из восьми двухполюсных подсистем 10 ветвей Т1 и Т2 вентилей соответственно, одна подсистема 10 подключена или отключена. При этом включение соответствует переходу из состояния переключения I в состояние переключения II. Отключение соответствует переходу из состояния переключения II в состояние переключения I. На этих обеих диаграммах представлен, соответственно период Т_Р основного колебания характеристики потенциала U_L0 (фиг.6) нагрузочного вывода L по отношению к виртуальной средней точке О фазного модуля 100 выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии характеристик потенциалов U_PL и U_LN.

На фиг.6 показана характеристика разности характеристик потенциалов U_LN и U_PL согласно фиг.4 и 5 на диаграмме по времени t. Эта получающаяся характеристика потенциала U_L0 приложена между выводом L1, или L2, или L3 стороны переменного напряжения фазного модуля 100 выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии по фиг.1 и виртуальной средней точкой О, которая образована в случае промежуточного контура напряжения с двумя конденсаторами С1 и С2 точкой соединения этих обоих конденсаторов С1 и С2. Соответствующие составляющие верхних гармоник или компонентов постоянного напряжения в выходных напряжениях U_LX0 фазных модулей 100 многофазного выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии по фиг.1 компенсируются в случае симметричной системы трехфазного напряжения в разностных напряжениях соответствующих двух сдвинутых по фазе выходных напряжений U_L10, U_L20 или U_L30. Из этих обеих характеристик потенциалов U_PL и U_LN можно также видеть, что сумма потенциалов в каждый момент времени равна 4·U_C. Это означает, что значение постоянного напряжения U_d между сборными шинами P₀ и N₀ постоянного напряжения всегда соответствует постоянному числу подсистем 10 в состоянии переключения II, умноженному на значение конденсаторного напряжения U_C, существующего на конденсаторе С. В приведенном для примера случае это число соответствует количеству имеющихся в ветвях Т1, …, Т6 вентилей двухполюсных подсистем 10 выпрямителя 102 переменного тока по фиг.1.

На фиг.7 показаны выходные напряжения U_L10, U_L20 и U_L30 выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии и соответствующие связанные напряжения U_L12, U_L23 и U_L31. В этом случае отсутствия неисправности напряжения U_L10, U_L20 и U_L30 и связанные с ними напряжения U_L12, U_L23 или U_L31 образуют симметричную систему трехфазного напряжения. То есть сдвиг фазы выходных напряжений U_L10, U_L20 и U_L30 и связанных с ними напряжений U_L12, U_L23 и U_L31 трех фазных модулей 100 выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии равен 120° по отношению друг к другу.

Из DE 102005045091 A1 известен способ управления выпрямителем переменного тока с распределенными накопителями энергии согласно фиг.1, с помощью которого в случае неисправности по меньшей мере одной подсистемы фазного модуля этого выпрямителя переменного тока поддерживаются условия симметрии. Согласно этому известному способу сначала определяется ветвь вентилей одной из трех фаз, в которой одна или более двухполюсных подсистем неисправны. Каждая неисправная подсистема управляется таким образом, что клеммное напряжение соответственно равно нулю. В другой ветви вентилей неисправного фазного модуля, соответственно количеству определенных двухполюсных подсистем, соответствующее этому количество подсистем управляется таким образом, что клеммное напряжение соответственно равно конденсаторному напряжению. Это управление подсистемами в неисправном фазном модуле также выполняется для подсистем ветвей вентилей исправных фазных модулей.

На фиг.8 показана диаграмма по времени t характеристики разности потенциалов U_PL1 клеммы Р фазного модуля 100 относительно нагрузочного вывода L1, причем в нижней ветви Т2 вентилей фазного модуля 100 одна двухполюсная подсистема 10 неисправна. На фиг.9 на диаграмме по времени t показана характеристика разности потенциалов U_L1N клеммы L1 относительно потенциала клеммы N. Из характеристики разности потенциалов U_PL1 согласно фиг.8 можно видеть, что подсистема 10 верхней ветви Т1 вентилей фазного модуля 100 управляется таким образом, что ее клеммное напряжение U_X21 всегда равно конденсаторному напряжению U_C, имеющемуся на накопительном конденсаторе 9. За счет этого из показанных для примера четырех подсистем 10 верхней ветви Т1 вентилей остаются только три подсистемы 10, которые могут подключаться или отключаться. Из временной характеристики разности потенциалов U_L1N нижней ветви Т2 вентилей фазного модуля 100 можно видеть, что одна из показанных для примера четырех подсистем 10 управляется таким образом, что ее клеммное напряжение U_X21 всегда равно нулю. Согласно фиг.1, из этих нижних ветвей Т2, Т4 и Т6 вентилей трех фазных модулей 100 ветвь Т2 вентилей имеет неисправную двухполюсную подсистему 10, обозначенную штриховкой. За счет этого значение амплитуды напряжения U_L1N каждой ветви Т2 вентилей может быть максимально равно только 3·U_C. Посредством этого известного способа количество применяемых подсистем 10 в случае неисправности устанавливается равным количеству применяемых подсистем 10 в случае отсутствия неисправности. Характеристика амплитуды суммы разностей потенциалов U_PL1 и U_L1N показана на диаграмме фиг.9 прерывистой линией. По отношению к случаю отсутствия неисправности, напряжения U_L10, U_L20 и U_L30 в случае неисправности имеют, соответственно, меньшую максимальную амплитуду. В показанном примере эти напряжения U_L10, U_L20 и U_L30 в случае отсутствия неисправности имеют максимальную амплитуду напряжения, равную 1/2·U_d, в то время как в случае неисправности максимальная амплитуда составляет только 3/8·U_d. То есть, посредством известного способа в случае неисправности получают симметричную трехфазную систему напряжения с меньшей максимальной амплитудой.

На фиг.10 показана характеристика разностей потенциалов U_PL1 и U_L1N согласно фиг.8 и 9 по времени t. Из этой временной характеристики потенциала U_L10 нагрузочного вывода L1 по отношению к виртуальной средней точке О можно видеть, что она отклоняется от нулевого положения уже несимметрично. Это нулевое положение сдвинуто на 1/8·U_d. Это означает, что эта характеристика потенциалов имеет постоянную составляющую.

На фиг.11 показана векторная диаграмма трехфазной системы напряжений выпрямителя 102 переменного тока по фиг.1 при наличии неисправной подсистемы 10. Из этой системы напряжений можно видеть, что выходные напряжения U_L20 и U_L30 в отношении амплитуды не изменились по сравнению с системой напряжений по фиг.7. Так как в ветви Т2 вентилей одна подсистема 10 (заштрихована) вышла из строя, то амплитуда выходного напряжения U_L10 этого неисправного фазного модуля 100 уменьшилась соразмерно на величину конденсаторного напряжения U_C. Тем самым связанные напряжения U_L12, U_L23 и U_L31 соразмерно больше не равны. Оба связанных напряжения U_L12 и U_L31 по амплитуде равны, но по сравнению со связанным напряжением U_L23 меньше. За счет выхода из строя по меньшей мере одной подсистемы 10 ветви Т1, …, Т6 вентилей из симметричной системы напряжений связанных напряжений U_L12, U_L23 и U_L31 получается несимметричная система напряжений. Появляющаяся асимметрия зависит от числа неисправных подсистем 10 и от числа затронутых этим ветвей Т1, …, Т6 вентилей.

В основе изобретения лежит задача предложить способ для управления трехфазным выпрямителем переменного тока с распределенными накопителями энергии, с помощью которого при выходе из строя по меньшей мере одного накопителя энергии может формироваться симметричная трехфазная система напряжений.

Согласно соответствующему изобретению способу сначала определяется количество вышедших из строя подсистем и тем самым неисправные ветви вентилей фазных модулей выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии. Затем неисправные подсистемы и подсистемы исправных ветвей вентилей неисправных фазных модулей управляются таким образом, что их клеммные напряжения равны нулю. Тем самым все неисправные подсистемы и подсистемы в исправных ветвях вентилей неисправных фазных модулей соответственно числу неисправных подсистем короткозамкнуты. Тем самым выходное напряжение неисправного фазного модуля имеет сниженную амплитуду, которая проходит симметрично нулевому положению. Это означает, что выходное напряжение свободно от постоянного напряжения. За счет выхода из строя по меньшей мере одной подсистемы в ветви вентилей фазного модуля из имеющейся на выходных клеммах выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии симметричной трехфазной системы напряжений формируется несимметричная система напряжений.

Основная идея, лежащая в основе изобретения, состоит в том, что выходное напряжение неисправного фазного модуля, пониженное из-за выхода из строя по меньшей мере одной подсистемы, должно вновь приводиться на его предыдущее амплитудное значение. При этом несимметричная система напряжений должна была бы вновь стать симметричной. Причем одновременно амплитуды этой симметричной системы напряжений были бы максимальными.

При этом возникает вопрос, как с уменьшенным числом подсистем может формироваться амплитуда, которая должна была бы соответствовать амплитуде выходного напряжения фазного модуля в режиме без неисправностей. Решение состоит в том, что накопители энергии оставшихся подсистем ветвей вентилей неисправного фазного модуля заряжаются настолько выше, что сумма повышенных конденсаторных напряжений подсистем ветви вентилей неисправного фазного модуля равна сумме конденсаторных напряжений подсистем ветви вентилей исправного фазного модуля. Чем выше число подсистем на ветвь вентилей, тем меньше повышение на каждое конденсаторное напряжение остающихся подсистем ветви вентилей неисправного фазного модуля при выходе из строя подсистемы.

В предпочтительном способе остающиеся подсистемы неисправного фазного модуля последовательно друг за другом на предварительно определенный промежуток времени электропроводно соединяются с источником энергии, который предоставляет по меньшей мере повышенное конденсаторное напряжение. В течение этого промежутка времени ток протекает из источника энергии в подключенную подсистему, благодаря чему ее накопитель энергии подзаряжается. Если существующее на накопителе энергии конденсаторное напряжение достигает предварительно определенного значения, то эта подсистема отсоединяется от источника энергии, который связывается со следующей подсистемой неисправного фазного модуля. Так как подобный источник энергии для предварительного заряда накопителей энергии подсистем выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии уже имеется в таком выпрямителе переменного тока, не требуется существующий выпрямитель переменного тока расширять соответствующими аппаратным средствами.

В другом предпочтительном способе устанавливается дополнительный ток ветви вентилей, который протекает последовательно через одну за другой оставшиеся подсистемы неисправного фазного модуля в течение предварительно определенного промежутка времени. И посредством этого повышаются конденсаторные напряжения оставшихся подсистем неисправного фазного модуля.

Из зависимых пунктов 4-6 следует, каким образом генерируется такой дополнительный ток ветви вентилей. Способ генерирования дополнительных токов ветви вентилей посредством дополнительных временных участков напряжения известен из DE 102005045090 B4.

Соответствующий изобретению способ разделятся, таким образом, на три части, а именно: определение вышедших из строя подсистем и их короткое замыкание, причем соответственно количеству вышедших из строя подсистем ветви вентилей, также накоротко замыкаются подсистемы ветви вентилей неисправного фазного модуля, соответствующей неисправной ветви вентилей. За счет этого выходное напряжение неисправного фазного модуля снижается соответственно количеству вышедших из строя подсистем, но свободно от постоянной составляющей напряжения. На втором этапе конденсаторные напряжения остающихся подсистем неисправного фазного модуля повышаются таким образом, что сумма этих конденсаторных напряжений равна сумме конденсаторных напряжений исправного фазного модуля. На третьем этапе соответствующего изобретению способа осуществляется управление подсистемами исправных фазных модулей. Это управление не отличается от управления подсистемами выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии в режиме в отсутствие неисправностей.

Для дальнейшего пояснения изобретения далее даются ссылки на чертежи, на которых схематично представлена форма выполнения соответствующего изобретению способа управления трехфазным выпрямителем переменного тока с распределенными накопителями энергии.

Фиг.1 показывает эквивалентную схему известного выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии,

Фиг.2 показывает эквивалентную схему первой формы выполнения известной двухполюсной подсистемы выпрямителя переменного тока по фиг.1;

Фиг.3 показывает эквивалентную схему второй формы выполнения известной двухполюсной подсистемы выпрямителя переменного тока по фиг.1;

Фиг.4-6 представляют характеристики потенциала фазного модуля выпрямителя переменного тока по фиг.1 в случае отсутствия неисправности соответственно на диаграмме по времени t;

Фиг.7 - векторная диаграмма симметричной трехфазной системы напряжений выпрямителя переменного тока по фиг.1 в случае отсутствия неисправностей,

Фиг.8-10 представляют характеристики потенциала фазного модуля выпрямителя переменного тока по фиг.1 в случае неисправности соответственно на диаграмме по времени t;

Фиг.11 - векторная диаграмма несимметричной трехфазной системы напряжений выпрямителя переменного тока по фиг.1 в случае неисправности,

Фиг.12 - блок-схема соответствующего изобретению управления выпрямителем переменного тока по фиг.1 и

Фиг.13-15 - представляют характеристики потенциала неисправного фазного модуля выпрямителя переменного тока по фиг.1 соответственно на диаграмме по времени t, которые генерируются посредством соответствующего изобретению способа.

Фиг.12 показывает блок-схему управления выпрямителем 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии по фиг.1. На этой блок-схеме ссылочной позицией 104 обозначено устройство для формирования управляющих сигналов S_v, ссылочной позицией 106 обозначено устройство для определения неисправных подсистем 10, ссылочной позицией 108 обозначено устройство накопления, и ссылочной позицией 110 обозначен подключаемый источник энергии низкого напряжения. Устройство 104 со стороны выхода электрически соединено с управляющими выводами полупроводниковых переключателей 1 и 3 двухполюсных подсистем 10 ветвей Т1-Т6 вентилей выпрямителя 102 переменного тока. Выходные напряжения U_L10, U_L20 и U_L30, существующие на выводах L1, L2 и L3 стороны переменного напряжения, также обозначаемых как выходные клеммы выпрямителя 102 переменного тока, подаются на устройство 106 для определения неисправных двухполюсных подсистем 10. Со стороны выхода это устройство 106, с одной стороны, связано с входом устройства 104 для формирования управляющих сигналов S_v, а с другой стороны - с входом блока 108 накопления. Со стороны выхода это устройство 108 накопления соединено с подключаемым источником 110 энергии. На устройство 104 для формирования управляющих сигналов S_v подаются полученные выходные напряжения U_L10, U_L20 и U_L30 и заданное напряжение U*_L.

Существует дополнительная возможность определить неисправные подсистемы 10 в ветвях Т1, Т2, или Т3, Т4, или Т5, Т6 каждого фазного модуля 100 выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями энергии. Для этого применяется устройство 112, которое со стороны входа связано с каждой двухполюсной подсистемой 10 выпрямителя 102 переменного тока. Каждая подсистема 10 посылает на это устройство 112 ответный сигнал S_R, который указывает, изменила ли соответствующая подсистема 10 надлежащим образом свое состояние переключения. Из этих µ=6m ответных сигналов S_R формируется сигнал S_F ошибки, который подается на устройство 104. Так как при этом речь идет о другой возможности определения неисправных двухполюсных подсистем 10, она изображена на управлении согласно фиг.12 прерывистой линией.

Как уже упомянуто, выходное напряжение U_L10, или U_L20, или U_L30 выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии согласно фиг.1 снижается, как только одна двухполюсная подсистема 10 в ветви Т1, …, Т6 вентилей одного из трех фазных модулей 100 выпрямителя 102 переменного тока выйдет из строя. Значение снижения амплитуды соответствует при этом значению конденсаторного напряжения U_c, существующего на накопителе 9 энергии.

Предположим, что двухполюсная подсистема 10 ветви Т2 вентилей фазного модуля 100 выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии согласно фиг.1 из-за некоторой неисправности является надежно короткозамкнутой. Эта неисправная двухполюсная подсистема 10 наглядно представлена на эквивалентной схеме выпрямителя 102 переменного тока согласно фиг.1 посредством штриховки.

Согласно соответствующему изобретению способу сначала определяется количество неисправных двухполюсных подсистем 10. Так как предполагается, что только одна подсистема 10 неисправна, в качестве этого количества определяется «1». Кроме того, определяется ветвь Т1, …, Т6 вентилей, в которой находится неисправная подсистема 10. В рассматриваемом случае речь идет о ветви Т2 вентилей. Неисправная подсистема 10 ветви Т2 вентилей и подсистема 10 исправной ветви Т1 вентилей, соответствующей неисправной ветви Т2 вентилей, неисправного фазного модуля 100 управляются таким образом, что их клеммные напряжения U_X21 соответственно равны нулю. Если несколько подсистем 10 ветви Т1, …, Т6 вентилей или нескольких ветвей Т1, …, Т6 вентилей неисправны, то соответственно числу неисправных подсистем 10 в ветвях Т1, …, Т6 вентилей, соответствующих неисправным ветвям Т1, …, Т6, неисправного фазного модуля 100 управление осуществляется таким образом, что также клеммные напряжения U_X21 этих подсистем 10 также соответственно равны нулю. Это означает, что 2n подсистем 10 при n = количеству неисправных подсистем 10 замыкаются накоротко.

При знании количества неисправных подсистем 10 и знании неисправных ветвей вентилей, можно определить спад напряжения на выходе L1, L2 или L3 фазного модуля выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии. Число применяемых подсистем 10 на ветвь Т1, …, Т6 вентилей и конденсаторное напряжение $$U_{\widehat{C}},$$ существующее на накопительном конденсаторе 9 каждой подсистемы 10, известно, так что амплитуда каждого из напряжений U_L10, U_L20 и U_L30, существующих на выходных клеммах L1, L2 или L3, известна. Эта амплитуда равна $$m{U}_{\widehat{C}}/\mathrm{2,}$$ причем m - число применяемых подсистем 10 на ветвь Т1, …, Т6 вентилей. Чем выше число m применяемых подсистем 10, тем незначительнее амплитудный спад при выходе из строя подсистемы 10 в ветви Т1, …, Т6 вентилей.

В соответствии с изобретением этот спад напряжения в неисправном фазном модуле 100 должен теперь компенсироваться повышением конденсаторного напряжения $$U_{\widehat{C}}$$ подсистемы 10 неисправного фазного модуля 100. Для этого накопители 9 энергии этих подсистем 10 таким образом дополнительно заряжаются, что сумма повышенных конденсаторных напряжений $$U_{\widehat{C}}^{*}$$ равна сумме конденсаторных напряжений U_c ветви Т3, Т4 или Т5, Т6 вентилей исправного фазного модуля 100. Для этого повышенного конденсаторного напряжения $$U_{\widehat{C}}^{*}$$ справедливо:

U*_C=U_C+ΔU при ΔU=U_C/m-n.

В принятом случае это означает, что должно выполняться следующее:

ΣU*_C=4/3U_C

Отсюда следует, что конденсаторные напряжения U_C накопителей 9 энергии еще трех имеющихся подсистем 10 обеих ветвей Т1 и Т2 вентилей неисправного фазного модуля должны повышаться на треть своего значения. Если вместо четырех подсистем 10 на ветвь Т1, …, Т6 вентилей применяются восемь подсистем 10, то конденсаторные напряжения U*_C подсистем 10 каждой ветви Т1 и Т2 вентилей неисправного фазного модуля 100 должны согласно приведенному уравнению для повышенного конденсаторного напряжения U*_C увеличиваться соответственно только на 1/7 своего значения.

При повышении конденсаторного напряжения U_C до значения U*_C на накопителе 9 энергии каждой подсистемы 10 неисправного фазного модуля 100 повышается также соответственно нагрузка по напряжению обоих полупроводниковых переключателей 1 и 3 и обоих диодов 2 и 4. Для того чтобы эти полупроводники 1-4 каждой подсистемы 10 неисправного фазного модуля 100 выдерживали эту нагрузку по напряжению, число m применяемых подсистем 10 каждой ветви Т1, …, Т6 вентилей выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии должно быть по возможности высоким, например, равным восьми, в частности, двенадцати. Чем выше число m применяемых подсистем 10 каждой ветви Т1, …, Т6 вентилей выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии, тем меньше увеличение конденсаторного напряжения U_C остающихся подсистем 10 неисправного фазного модуля 100, или тем больше вышедших из строя подсистем 10 ветви Т1, …, Т6 вентилей фазного модуля могут компенсироваться за счет повышения конденсаторного напряжения U_C остающихся подсистем 10 обеих ветвей Т1, Т2 или Т3, Т4 или Т5, Т6 вентилей неисправного фазного модуля 100.

То, на какую долю ΔU конденсаторные напряжения U_C подсистем 10 ветвей Т1 и Т2 вентилей неисправного фазного модуля 100 должны, соответственно, повышаться, считывается в зависимости от определенного количества неисправных подсистем 10 из запоминающего устройства 108. На выходе этого запоминающего устройства 108 имеется сигнал S_L, с помощью которого подключаемые источники 110 энергии таким образом подключаются к клеммам Х1 и Х2 подсистем 10 неисправного фазного модуля 100, что их конденсаторные напряжения U_C повышаются на предварительно определенное значение ΔU. Чтобы реализовать это, каждая еще имеющаяся исправная подсистема 10 обеих ветвей Т1 и Т2 вентилей неисправного фазного модуля 100 может управляться с целью подзарядки следующим образом: из (2m-2n) еще имеющихся подсистем (m = числу подсистем 10 на ветвь вентилей; n = числу неисправных подсистем на ветвь вентилей) выпрямителя 102 переменного тока (2m-2n-1) подсистем 10 управляются для переключения в состояние I переключения, и соответствующая остающаяся исправная подсистема 10 управляется для переключения в состояние II или III переключения. Циклически друг за другом соответствующая следующая исправная подсистема 10 неисправного фазного модуля 100 управляется для переключения в состояние II переключения, а предыдущая - назад в состояние I переключения. Источник 110 энергии, который предоставляет повышенное конденсаторное напряжение U*_C, также требуется при подзаряде накопителя 9 энергии подсистемы 10 выпрямителя 102 переменного тока. Это означает, что этот источник 110 энергии уже является составной частью данного выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии. В уже упомянутом документе DE 10103031 A1 описана подобная подзарядка.

Конденсаторные напряжения U_C накопителя 9 энергии подсистем 10 обеих ветвей Т1 и Т2 вентилей неисправного фазного модуля 100 могут также повышаться с помощью дополнительного тока ветви вентилей. Чтобы генерировать дополнительный ток ветви вентилей, согласно DE 102005045090 B4, в напряжениях ветвей вентилей фазного модуля должны генерироваться дополнительные временные участки напряжения. Подобные временные участки напряжения могут характеризоваться тем, что действия переключения обеих ветвей вентилей фазного модуля более не синхронны во времени, а выполняются со свободно выбираемым временным интервалом. Это означает, что действия переключения верхней ветви вентилей, например Т1, фазного модуля 100 по отношению к действиям переключения нижней ветви Т2 вентилей этого фазного модуля 100 выполняются с задержкой и/или с опережением. За счет этой модификации действий переключения обеих ветвей Т1, Т2 вентилей неисправного фазного модуля 100 динамически устанавливается предварительно определенный дополнительный временной участок напряжения. Чтобы не повторять преобладающую часть этого патентного документа, для последующего объяснения генерации дополнительных временных участков напряжения будут даваться ссылки на указанный патентный документ.

На фиг.13 и 14 на диаграмме по времени t показаны соответствующие характеристики потенциалов U_PL1 и U_L1N ветвей Т1 и Т2 вентилей неисправного фазного модуля 100. Характеристика на диаграмме по фиг.14 соответствует точно качественной характеристике потенциала на диаграмме на фиг 9. Согласно способу, соответствующему изобретению, также подсистема 10 в исправной ветви Т1 вентилей неисправного модуля, соответствующей неисправной ветви Т2 вентилей, управляется таким образом, что ее клеммное напряжение U_X21 равно нулю. Поэтому характеристика потенциала U_PL1 на диаграмме на фиг.13 соответствует качественной характеристике потенциала U_L1N на диаграмме на фиг.14, которые по отношению друг к другу являются взаимно обратными. Существующая на выходе L1 неисправного фазного модуля 100 выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии характеристика потенциала U_L10 представлена на фиг.15 на диаграмме по времени t. Без второй части соответствующего изобретению способа, а именно, повышения конденсаторных напряжений U_C на ΔU еще имеющихся подсистем 10, пиковое значение выходного напряжения U_L10 составляет 3/2 U*_C по отношению к 2U_C выходного напряжения U_L20 или U_L30 исправного фазного модуля 100. Эта разность амплитуд компенсируется посредством повышения конденсаторных напряжений U_C на ΔU еще имеющихся подсистем 10 обеих ветвей Т1, Т2 вентилей неисправного фазного модуля 100. С помощью такого повышения конденсаторных напряжений U_C на ΔU несимметричная векторная диаграмма по фиг.11 вновь переводится в симметричную векторную диаграмму согласно фиг.7.

С помощью соответствующего изобретению способа возможен даже режим работы с избыточностью выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии при так называемой двойной ошибке. В случае двойной ошибки речь идет о неисправности, при которой вышли из строя две подсистемы 10 в несоответствующих ветвях вентилей двух фазных модулей 100, например, ветвей Т1 и Т4 вентилей. Для того чтобы поддерживать в границах спад напряжения полупроводников 1-4 каждой подсистемы 10 выпрямителя 102 переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии, количество m подсистем 10 должно выбираться по возможности большим, причем m=12 на ветвь Т1, …, Т6 уже могло бы быть достаточным.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления выпрямителем переменного тока с распределенными накопителями энергии с тремя фазными модулями, которые имеют соответственно одну верхнюю и одну нижнюю ветвь вентилей, которые снабжены соответственно по меньшей мере тремя электрически последовательно включенными двухполюсными подсистемами (10). Техническим результатом является формирование симметричной системы напряжений при выходе из строя по меньшей мере одного накопителя. В соответствии с изобретением вышедшие из строя подсистемы (10) неисправной ветви (Т2) вентилей и подсистемы (10) исправной ветви (Т1) вентилей неисправного фазного модуля (100) соответственно количеству вышедших из строя подсистем замыкаются накоротко, конденсаторные напряжения (U_C) оставшихся подсистем (10) неисправного фазного модуля (100), повышаются таким образом, что их сумма равна сумме конденсаторных напряжений (U_C) подсистем (10) исправного фазного модуля (100), и подсистемы (10) исправных фазных модулей (100) управляются так, как перед выходом из строя, по меньшей мере, одной подсистемы (10). Тем самым на выходах (L1, L2, L3) выпрямителя (102) переменного тока с распределенными накопителями (9) энергии при неисправности получают симметричную систему напряжений с максимальной амплитудой. 5 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ управления выпрямителем (102) переменного тока с распределенными накопителями (9) энергии с тремя фазными модулями (100), которые имеют соответственно одну верхнюю и одну нижнюю ветвь (T1, Т3, Т5; Т2, Т4, Т6) вентилей, которые снабжены соответственно по меньшей мере тремя электрически последовательно включенными двухполюсными подсистемами (10), при выходе из строя по меньшей мере одной подсистемы (10), содержащий следующие этапы:
a) определение количества (n) вышедших из строя подсистем (10),
b) определение ветвей (T1, …, Т6) вентилей, в которых по меньшей мере одна подсистема (10) вышла из строя,
c) управление каждой вышедшей из строя подсистемой (10) таким образом, что их клеммные напряжения (U_X21) равны нулю,
d) определение исправных ветвей (T1, …, Т6) вентилей каждого неисправного фазного модуля (100), соответствующих неисправным ветвям (T1, …, Т6) вентилей,
e) управление некоторым количеством подсистем (10) в соответствующей исправной ветви (T1, …, Т6) вентилей каждого неисправного фазного модуля (100) так, что их клеммные напряжения (U_X21) равны нулю,
f) повышение конденсаторных напряжений (U_c) подсистем (10) каждого неисправного фазного модуля (100), у которых клеммные напряжения (U_X21) продолжительно не равны нулю, таким образом, что сумма повышенных конденсаторных напряжений (U*_c) подсистем (10) соответствующей ветви (T1, …, Т6) вентилей неисправного фазного модуля (100) равна сумме конденсаторных напряжений (U_c) подсистем (10) соответствующей ветви вентилей исправного фазного модуля (100), и
g) управление подсистемами (10) ветвей (T1, …, Т6) вентилей исправного фазного модуля (100) в соответствии с тем, как перед выходом из строя по меньшей мере одной подсистемы (10).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подсистемы (10) неисправных фазных модулей (100), у которых клеммные напряжения (U_X21) продолжительно не равны нулю, последовательно друг за другом на предварительно определенный промежуток времени электропроводно соединяются с источником энергии (110), который предоставляет повышенное конденсаторное напряжение (U*_c).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливается предварительно определенный дополнительный ток ветви вентилей, который протекает в течение предварительно определенного промежутка времени последовательно друг за другом через каждую подсистему (10) каждого неисправного фазного модуля (100), у которых клеммные напряжения (U_X21) не равны продолжительно нулю.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для генерации соответствующего дополнительного тока ветви вентилей применяется дополнительный временной участок напряжения в напряжениях ветвей вентилей каждого неисправного фазного модуля (100).

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительные временные участки напряжения устанавливаются таким образом, что действия переключения в верхней и нижней ветвях (T1, Т2 или Т3, Т4 или Т5, Т6) вентилей каждого неисправного фазного модуля (100) выполняются с предварительно определенным временным интервалом времени.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительные временные участки напряжения выражаются таким образом, что для синхронно по времени выполняемых действий переключения ветвей (T1, Т2 или Т3, Т4 или Т5, Т6) вентилей каждого неисправного фазного модуля (100) предусмотрены дополнительные действия переключения.