СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ В СЛУЧАЕ НЕИСПРАВНОСТИ МНОГОФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ НАКОПИТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ Российский патент 2014 года по МПК H02M7/00 H02M7/48 

Изобретение относится к способу управления многофазным выпрямителем переменного тока с распределенными накопителями энергии согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения.

Из DE 10103031 А1 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 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 преобразователе 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 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 показаны четыре таких подсистемы 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 переменного тока имеет три фазных модуля 100, то к их выводам L1, L2 или 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 А1. 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 конденсатора, либо из батареи конденсаторов, состоящей из нескольких таких конденсаторов, с результирующей емкостью С₀. 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 обоих представлениях двух форм выполнения двухполюсной подсистемы 10 в качестве отключаемых полупроводниковых переключателей 1 и 3, как представлено на фиг.2 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 А1, двухполюсные подсистемы 10 каждого фазного модуля 100 выпрямителя 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 двухполюсной подсистемы 10 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 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 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 или 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 отключаемых 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 выводах 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 А1 указано, каким образом неисправная двухполюсная подсистема 10 может надежным образом становиться короткозамкнутой. Тем самым, этот известный выпрямитель переменного тока с распределенными накопителями энергии может 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 А1. 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 на клемме L фазного модуля 100 по отношению к потенциалу на клемме N. Согласно этим характеристикам потенциалов U_PL и U_LN, в моменты времени t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7 или t8 из восьми двухполюсных подсистем 10 ветви Т1 и Т2 вентилей, соответственно, одна подсистема включена или выключена. При этом включение соответствует переходу из состояния переключения I в состояние переключения II. Выключение соответствует переходу из состояния переключения II в состояние переключения I. На этих обеих диаграммах представлен, соответственно, период Т_Р основного колебания характеристики потенциала U_LO (фиг.6) нагрузочного вывода L по отношению к виртуальной средней точке О фазного модуля 100 выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии характеристик потенциалов U_PL и U_LN.

На фиг.6 показана характеристика, представляющая разности характеристик потенциалов U_PL и U_LN согласно фиг.4 и 5 на диаграмме по времени t. Эта получающаяся характеристика потенциалов U_LO приложена между выводом L1, или L2, или L3 стороны переменного напряжения фазного модуля 100 выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии по фиг.1 и произвольно выбранным потенциалом виртуальной средней точки О промежуточного контура напряжения с двумя конденсаторами С1 и С2. Соответствующие составляющие верхних гармоник или компонентов постоянного напряжения в выходных напряжениях U_LO фазных модулей 100 многофазного выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии по фиг.1 действуют 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 переменного тока по фиг.1.

Из DE 102005045091 А1 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 амплитуда клеммного напряжения соответственно равна нулю. В каждой другой ветви вентилей неисправного фазного модуля, соответственно количеству определенных двухполюсных подсистем, соответствующее количество подсистем управляется таким образом, что амплитуда клеммного напряжения соответственно равна конденсаторному напряжению. Это управление подсистемами в неисправном фазном модуле также выполняется для подсистем ветвей вентилей исправных фазных модулей.

На фиг.7 показана диаграмма по времени t характеристики разности потенциалов U_PL клеммы Р фазного модуля 100 относительно нагрузочного вывода L фазного модуля 100, причем в нижней ветви Т2, или Т4, или Т6 вентилей фазного модуля 100 одна двухполюсная подсистема 10 неисправна. На фиг.8 показана диаграмма по времени t характеристики разности потенциалов U_LN клеммы L относительно потенциала клеммы N. Из характеристики разности потенциалов U_PL согласно фиг.7 можно видеть, что подсистема 10 каждой верхней ветви Т1, или Т3, или Т5 вентилей каждого 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 каждой верхней ветви Т1, или Т3, или Т5 вентилей остаются только три подсистемы 10, которые подключаются или отключаются. Из временной характеристики разности потенциалов U_LN каждой нижней ветви Т2, или Т4, или Т6 вентилей каждого фазного модуля 100 можно видеть, что каждая 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, или Т4, или Т6 вентилей трех фазных модулей 100 ветвь Т2 вентилей имеет неисправную двухполюсную подсистему 10, обозначенную штриховкой. За счет этого значение амплитуд напряжения U_LN каждой ветви Т2, Т4 и Т6 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_PL и U_LN показана на диаграмме фиг.8 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 размаха 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.9 показана характеристика разностей потенциалов U_PL и U_LN согласно фиг.7 и 8 по времени t. Из этой временной характеристики потенциала нагрузочного вывода L1, или L2, или L3 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.

В основе изобретения лежит задача усовершенствовать известный способ управления таким образом, чтобы в выходных напряжениях выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии в случае неисправности не проявлялись составляющие постоянного напряжения.

Эта задача решается в соответствии с изобретением отличительными признаками во взаимосвязи с признаками ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

За счет того, что в ветви вентилей, соответствующей неисправной ветви вентилей, неисправного фазного модуля некоторое число двухполюсных подсистем, причем это число соответствует числу неисправных подсистем, управляется таким образом, что амплитуды их клеммных напряжений равны нулю, выходное напряжение неисправного фазного модуля больше не содержит постоянной составляющей. Ввиду условия симметрии, соответствующие подсистемы в ветвях вентилей исправных фазных модулей управляются соответствующим образом. Тем самым получают свободную от постоянного напряжения трехфазную симметричную систему напряжения.

Для дальнейшего пояснения изобретения далее даются ссылки на чертежи, на которых схематично представлена форма выполнения соответствующего изобретению способа управления многофазным 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.7-9 представляют характеристики потенциала фазного модуля выпрямителя переменного тока по фиг.1 в случае неисправности, соответственно, на диаграмме по времени t;

фиг.10-12 - представляют характеристики потенциала фазного модуля выпрямителя переменного тока по фиг.1 в случае неисправности, соответственно, на диаграмме по времени t, которые генерируются посредством соответствующего изобретению способа.

Предположим, что двухполюсная подсистема 10 ветви Т2 вентилей фазного модуля 100 выпрямителя 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 согласно фиг.1 посредством штриховки.

Согласно соответствующему изобретению способу, сначала эта неисправная двухполюсная подсистема 10 должна определяться. После того как эта неисправная двухполюсная подсистема 10 определена, эта подсистема 10 управляется таким образом, что амплитуда соответствующего клеммного напряжения U_X21 равна нулю. Этот фазный модуль 100, в котором ветвь Т2 вентилей имеет неисправную подсистему 10, далее называется неисправным фазным модулем 100. Этот неисправный фазный модуль 100 имеет, кроме того, ветвь Т1 вентилей, в которой никакая подсистема 10 не является неисправной. Согласно способу, соответствующему изобретению, соответственно числу неисправных двухполюсных подсистем 10 в неисправной ветви Т2 вентилей, соответствующее число двухполюсных подсистем 10 исправной ветви Т1 вентилей этого неисправного фазного модуля 100 управляется таким образом, что, соответственно, амплитуда клеммного напряжения U_X21 равна нулю. Так как в этом примере только одна двухполюсная подсистема 10 ветви Т2 вентилей неисправна, в соответствующей ветви Т1 вентилей только одна двухполюсная подсистема 10 управляется таким образом, что амплитуда ее клеммного напряжения U_X21 равна нулю.

На фиг.10 на диаграмме по времени t показана временная характеристика разности потенциалов U_PL клеммы Р относительно нагрузочного вывода L1. На фиг.11 на диаграмме по времени t показана временная характеристика разности потенциала U_LN клеммы L относительно потенциала клеммы N. Из обеих характеристик потенциалов U_PL и U_LN можно видеть, что из четырех двухполюсных подсистем 10 ветвей Т1 и Т2 вентилей для управления в распоряжение предоставлены только три подсистемы 10. Сумма этих обеих характеристик потенциалов U_PL и U_LN дает вновь постоянное напряжение U_d, которое существует между сборными шинами P₀ и N₀ постоянного напряжения этого выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии согласно фиг.1. Это означает, что постоянное напряжение U_d в случае отсутствия неисправности и в случае неисправности одинаково. На основании симметрии двухполюсные подсистемы 10 ветвей Т4, Т3 и Т6, Т5 вентилей обоих исправных фазных модулей 100 выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии согласно фиг.1 управляются соответствующим образом. Это означает, что в соответствующих неисправной ветви Т2 вентилей неисправного фазного модуля 100 исправных ветвях Т4 и Т6 вентилей исправных фазных модулей 100 выпрямителя переменного тока по фиг.1 некоторое число подсистем 10, соответствующее числу неисправных подсистем 10, управляется таким образом, что амплитуды их клеммных напряжений U_X21 соответственно равны нулю. Так как в неисправной ветви Т2 вентилей неисправного фазного модуля 100 неисправна только одна подсистема 10, то в соответствующих ветви Т2 вентилей ветвях Т4 и Т6 вентилей исправных фазных модулей 100 выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии по фиг.1, соответственно, только одна двухполюсная подсистема 10 управляется таким образом, что амплитуды соответствующих клеммных напряжений U_X21 равны нулю. В неисправном фазном модуле 100 в исправной ветви Т1 вентилей также одна подсистема 10 управляется таким образом, что амплитуда соответствующего клеммного напряжения U_X21 равна нулю. Это означает, что в исправных фазных модулях 100 выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии по фиг.1, в соответствующих исправной ветви Т1 вентилей неисправного фазного модуля 100 ветвях Т3 и Т5 вентилей исправных фазных модулей 100 соответствующие подсистемы 10 в количестве неисправных подсистем 10 неисправной ветви Т2 вентилей управляются таким образом, что амплитуды их клеммных напряжений U_X21 также равны нулю.

За счет подобного управления двухполюсными подсистемами 10 выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии получают выходные напряжения U_L10, U_L20 и U_L30, которые, соответственно, приложены между выводом L1, L2 и L3 стороны переменного напряжения и виртуальной средней точкой О. Эти выходные напряжения U_L10, U_L20 и U_L30 имеют характеристику потенциала U_LO, которая представлена на диаграмме по времени t на фиг.12. Эта характеристика больше не имеет постоянной составляющей. Амплитуды этих выходных напряжений U_L10, U_L20 и U_L30, соответственно, меньше амплитуд выходных напряжений, которые генерировались посредством известного способа управления. Согласно примеру с четырьмя подсистемами 10 на ветвь Т1, …, Т6 вентилей выходные напряжения U_L10, U_L20 имеют, соответственно, амплитуду 1/4·U_d по сравнению с амплитудой 3/8·U_d (известный способ управления). Однако эта симметричная трехфазная система напряжения с меньшей амплитудой свободна от постоянного напряжения.

Постоянная составляющая, которая в известном способе проявляется в выходных напряжениях U_L10, U_L20 и U_L30 выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии по фиг.1, обуславливает в подключенной машине с вращающимся магнитным полем сдвиг нейтрали, который может привести к токам в опорах. Кроме того, названная постоянная составляющая, при применении преобразователя переменного тока как активного, прямого сетевого питания, вызывает сдвиг потенциала преобразователя переменного тока по отношению к потенциалу земли, если нейтраль сетевой стоны заземлена. Это требует, при обстоятельствах, больше затрат на изоляцию преобразователя переменного тока. С помощью способа, соответствующего изобретению, этот недостаток устраняется, но при этом следует принимать во внимание меньшую амплитуду выходных напряжений U_L10, U_L20 и U_L30 выпрямителя переменного тока по фиг.1. Чем больше двухполюсных подсистем 10 применяется в ветвях Т1, …, Т6 вентилей, тем с большим числом ступеней будут выходные напряжения U_L10, U_L20 и U_L30 выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями 9 энергии по фиг.1. Тем самым можно аппроксимировать синусоидальную характеристику даже при неисправных двухполюсных подсистемах 10.

Изобретение относится к управлению многофазным выпрямителем переменного тока. Технический результат заключается в усовершенствовании способа управления выпрямителем, чтобы при отказе в выходных цепях не проявлялись составляющие постоянного напряжения. В соответствии с изобретением, подсистемой (10) ветви (Т1,…, Т6) вентилей, соответствующей неисправной ветви (Т1,…, Т6) вентилей, неисправного фазного модуля (100) управляют таким образом, что ее клеммное напряжение (U_X21) равно нулю, что, соответственно, одной подсистемой (10) соответствующей этой ветви (Т1,…, Т6) вентилей ветви (Т1,…, Т6) вентилей каждого исправного фазного модуля (100) управляют таким образом, что их клеммные напряжения (U_X21) равны нулю. Тем самым получают способ управления для использования резервирования в случае неисправности многофазного выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями (9) энергии, причем генерируемые выходные напряжения (U_L10, U_L20 и U_L30) больше не содержат составляющей постоянного напряжения. 12 ил.

Способ управления выпрямителем переменного тока с, по меньшей мере, двумя фазными модулями (100), имеющими верхнюю и нижнюю ветвь (Т1,…, Т6) вентилей, содержащую соответственно по меньшей мере, три электрически последовательно включенные двухполюсные подсистемы (10), при отказе, по меньшей мере, одной подсистемы (10) ветви (Т1,…, Т6) вентилей, причем определяется ветвь (Т1,…, Т6) вентилей с неисправной подсистемой (10), и причем соответственно подсистема (10) ветви (Т1,…, Т6) вентилей, корреспондирующейся с неисправной ветвью (Т1,…, Т6) вентилей, каждого исправного фазного модуля (100) управляется таким образом, что ее клеммное напряжение (U_X21) соответственно равно нулю, отличающийся тем, что подсистема (10) ветви (Т1,…, Т6) вентилей, корреспондирующейся с неисправной ветвью (Т1,…, Т6) вентилей, неисправного фазного модуля (100) управляется таким образом, что ее клеммное напряжение (U_X21) равно нулю, и что соответственно подсистема (10) ветви (Т1,…, Т6) вентилей, корреспондирующейся с этой ветвью (Т1,…, Т6) вентилей, каждого исправного фазного модуля (100) управляется таким образом, что ее клеммное напряжение (U_X21) равно нулю.