УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ, ИМЕЮЩИМ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ИНДУКТИВНЫЙ ХАРАКТЕР Российский патент 2014 года по МПК H02M7/48 

Настоящее изобретение относится к устройству для соединения с электрическим сопротивлением, имеющим преимущественно индуктивный характер, например электродвигателем.

Электрический привод, например для компрессора, соединен посредством контактных зажимов с электроприводным блоком, который на практике содержит, например, инверторы. При относительно высокой частоте инверторы представляют высокие и низкие напряжения и/или токи в форме импульсов. Вследствие индуктивного характера электропривода получается среднее напряжение, которое при оптимальных расчетных условиях приблизительно равно заранее установленному контрольному напряжению.

Однако помимо среднего напряжения с частотой основной гармоники в результате коммутации инверторов существуют также компоненты напряжения с более высокими гармониками. Последние компоненты напряжения, сокращенно называемые высшими гармониками, вызывают в электродвигателе высокочастотные токи и в результате изменения связи. Это приводит к колебаниям скорости, а также электрическим потерям, в результате которых происходит нежелательное нагревание привода.

Настоящее изобретение предлагает устройство для соединения с электрическим сопротивлением с индуктивной реактивной составляющей, посредством которого устраняется вышеуказанный недостаток. В частности, целью настоящего изобретения является создание устройства для соединения с электрическим сопротивлением, имеющим преимущественно индуктивный характер, в результате чего предотвращается образование компонентов напряжения с высшими гармониками. С этой целью устройство содержит реактивный элемент, при этом устройство снабжено также входами для введения выходных сигналов электрических инверторов для параллельной подачи и, по меньшей мере, одним выходом для соединения с зажимом питания для фазы сопротивления, так что данное устройство создано для обеспечения по существу фильтрации высокочастотного дифференциального компонента, по меньшей мере, двух выходных сигналов во время использования.

В результате присутствия в выходных сигналах электрических инверторов реактивного элемента преимущественно высокочастотный дифференциальный компонент двух или более выходных сигналов может быть по существу отфильтрован. Таким образом, по меньшей мере, один выход для соединения с зажимом питания для фазы сопротивления, имеющего преимущественно индуктивный характер, может генерировать возбуждающий сигнал, в котором, по меньшей мере, один высокочастотный дифференциальный компонент исходных выходных сигналов по существу устранен. В результате количество компонентов напряжения с высшими гармониками и их энергетические компоненты во всем возбуждающем сигнале уменьшаются.

Следовательно, изменения связи электрического сопротивления, имеющего преимущественно индуктивный характер, остаются более постоянными, таким образом, предотвращаются флуктуации скорости, а также нежелательное нагревание сопротивления и преждевременное старение. Кроме того, повышается эффективность системы, поскольку уменьшаются потери энергии. Отмечается, что частота отфильтрованного дифференциального компонента является высокой относительно частоты основной гармоники.

Кроме того, посредством использования множества инверторов с параллельным питанием увеличивается количество дискретных уровней напряжения, таким образом, отклонение относительно заранее установленного контрольного напряжения также уменьшается. К тому же уменьшается перерегулирование и время нарастания напряжения на контактном зажиме питания. Это уменьшает общий сигнал электрических выходных напряжений, называемый также синфазным сигналом, поэтому, например, уменьшаются также нежелательные токи в подшипниках в электрических машинах. Кроме того, в результате уменьшается механическое напряжение в обмотках сопротивления, имеющего преимущественно индуктивный характер. К тому же в результате уменьшаются проблемы электромагнитной совместимости. Кроме того, в результате более оптимальной работы всего устройства частота импульсов инверторов может быть снижена, поэтому потери в инверторах также уменьшаются.

Отмечается также, что устройство в соответствии с настоящим изобретением может применяться для сопротивлений преимущественно индуктивного характера, имеющих либо одну, либо несколько обмоток, например, для источника питания с тремя фазами.

Реактивный элемент преимущественно выполнен как индуктивный элемент, так что выходные сигналы инверторов источника напряжения могут быть развязаны. Естественно, можно выполнить реактивный элемент по-другому, например, как емкостной элемент. Таким образом, выходные сигналы инверторов, особенно источника тока, могут быть развязаны, т.е., по меньшей мере, один высокочастотный дифференциальный компонент двух выходных сигналов может быть по существу отфильтрован.

Отмечается, что известны индуктивные системы для уменьшения синфазных сигналов, использующие катушку, называемую также синфазным дросселем. Таким образом, высокочастотные дифференциальные сигналы фактически могут быть относительно легко пропущены, тогда как общая часть двух входных сигналов фактически фильтруется.

Следует отметить, что вместо одного реактивного элемента в устройстве в соответствии с настоящим изобретением может быть использовано множество реактивных элементов, например в случае источника питания с более чем одной фазой или для дополнительного уменьшения высших гармоник.

При использовании обычной выходной катушки, соединенной с выходом инвертора, размеры и, следовательно, стоимость зависят от суммарного фазового тока. В случае устройства в соответствии с настоящим изобретением размеры реактивного элемента зависят от разностного сигнала. Обычно разностный сигнал составляет лишь часть суммарного пропущенного сигнала питания для сопротивления. Поскольку размеры реактивного элемента остаются относительно малыми, может быть получено преимущество в стоимости.

Интересно, что устройство в соответствии с настоящим изобретением находит применение при приведении в действие электроприводов с относительно высокой скоростью. Это объясняется тем, что использование обычной выходной катушки, соединенной с выходом инвертора, кроме того, вызывает дополнительные потери и падение напряжения, которое зависит от частоты основной гармоники напряжения питания. Поскольку падение напряжения в устройстве в соответствии с настоящим изобретением практически отсутствует, устройство преимущественно может применяться с сопротивлением преимущественно индуктивного характера, когда номинальная скорость может быть установлена относительно высокой.

Кроме того, когда моменты коммутации отдельных выходных сигналов, вводимых в реактивный элемент, установлены отличными друг от друга, разностный сигнал двух выходных сигналов может быть отфильтрован еще более эффективно. Это объясняется тем, что долевое участие более высокой гармоники в первом выходном сигнале отличается от долевого участия более высокой гармоники во втором выходном сигнале. В результате введения в реактивный элемент обоих выходных сигналов более высокая гармоника, образующая разностный сигнал, может быть по существу отфильтрована.

Таким образом, алгоритм для переключения инверторов может быть установлен таким образом, что во время каждого периода повторения импульса один выходной сигнал, который вводится в реактивный элемент, не изменяется. Естественно, можно создать другой алгоритм, например, когда во время каждого периода повторения импульса изменяется только один выходной сигнал. Кроме того, может быть выбрана стратегия, посредством которой выходное напряжение реактивного элемента во время каждого периода повторения импульса включает только два состояния, в которых напряжение максимально приближается к заранее установленному контрольному напряжению.

Дополнительные предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение будет дополнительно объяснено на основе примеров осуществления, представленных в чертежах. В чертежах:

фиг.1 изображает схематичный вид первого варианта осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое соединено с электрическим сопротивлением, имеющим преимущественно индуктивный характер;

фиг.2 изображает схематичный вид второго варианта осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое соединено с электрическим сопротивлением, имеющим преимущественно индуктивный характер;

фиг.3 изображает схематичный вид третьего варианта осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое соединено с электрическим сопротивлением, имеющим преимущественно индуктивный характер;

фиг.4 изображает схематичный вид четвертого варианта осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое соединено с электрическим сопротивлением, имеющим преимущественно индуктивный характер;

фиг.5 изображает графическое представление результирующего напряжения, которое существует в зажиме питания выходного сопротивления, имеющего преимущественно индуктивный характер;

фиг.6 изображает графическое представление силы тока на выходе инвертора; и

фиг.7 изображает графическое представление силы тока, которая приложена через зажимы питания к электрическому сопротивлению, имеющему преимущественно индуктивный характер.

Чертежи являются только схематическими представлениями настоящего изобретения и приводятся исключительно в качестве неограничивающих примеров осуществления.

Фиг.1 изображает схематичный вид первого варианта осуществления устройства 1 в соответствии с настоящим изобретением, которое соединено с электрическим сопротивлением, имеющим преимущественно индуктивный характер 2. Устройство 1 содержит реактивный элемент, выполненный как индуктивный элемент, более конкретно как трансформатор 3. Количество витков двух обмоток трансформатора 3 согласовано, поэтому осуществляется передача напряжения из 1. Трансформатор 3 имеет входы для введения выходных сигналов электрических инверторов для параллельной подачи, которые символически обозначены как U₁ и U₂. Через первый вход первый ток I₁ проходит через первую обмотку трансформатора, а через второй вход второй ток I₂ проходит через вторую обмотку трансформатора 3 в направлении, обратном направлению первого тока I₁. На первой обмотке имеется напряжение U_L. Суммарный сигнал I₁ и I₂, называемый также синфазным сигналом, генерирует противоположные магнитные потоки в магнитном сердечнике трансформатора 3, так что суммарный сигнал может проходить свободно. Разностный сигнал I₁ и I₂, называемый также сигналом дифференциального режима, генерирует результирующий магнитный поток, так что разностный сигнал, конечно его высокочастотные компоненты, исключен. Таким образом, выходной сигнал трансформатора 3, по меньшей мере, одна высокочастотная дифференциальная компонента двух выходных сигналов I₁ и I₂ по существу отфильтрована.

Выходы трансформатора соединены и ведут к зажиму питания для фазы сопротивления, имеющего преимущественно индуктивный характер 2. Таким образом, результирующий отфильтрованный сигнал представлен в сопротивлении, имеющем преимущественно индуктивный характер 2. На концах сопротивления, имеющего преимущественно индуктивный характер, приложено напряжение U_LOAD.

Фиг.2 изображает схематичный вид второго варианта осуществления устройства 1 в соответствии с настоящим изобретением, которое соединено с сопротивлением, имеющим преимущественно индуктивный характер. Сопротивление, имеющее преимущественно индуктивный характер, выполнено как электрическая машина 2 с тремя фазами. Электрическая машина 2 может быть использована, например, в качестве электропривода для двигателя или генератора. Кроме того, электропривод может быть использован для компрессоров. Кроме того, могут быть использованы другие виды нагрузки, имеющей преимущественно индуктивный характер, например активный выпрямитель и/или активный фильтр.

Как и в первом варианте осуществления устройства 1, в соответствии с настоящим изобретением два инвертора 4, 5, прямо показанные на фиг.2, генерируют электрическое выходное напряжение для приведения в действие электрической машины 2. Однако каждый инвертор 4, 5 установлен для генерирования выходных напряжений с тремя фазами U_u1, U_v1, U_w1, U_u2, U_v2 и U_w2. Ветви каждой фазы попарно подведены в индуктивный элемент 3А, 3В и 3С устройства 1 в соответствии с настоящим изобретением, которое, например, выполнено как трансформатор, описанный применительно к фиг.1. Выходной сигнал каждого индуктивного элемента 3А, 3В и 3С подается на зажим питания для фазы электрической машины 2. Таким же образом, как описано применительно к фиг.1, в электрическую машину 2 подаются сигналы, в которых, по меньшей мере, одна высокочастотная дифференциальная компонента двух выходных сигналов по существу отфильтрована.

Фиг.3 изображает схематичный вид третьего варианта практического осуществления устройства 1 в соответствии с настоящим изобретением, которое соединено с сопротивлением, имеющим преимущественно индуктивный характер. Устройство 1, как и в случае устройства 1, соответствующего фиг.2, содержит три трансформатора 3А, 3В и 3С, которые соединены подобно тому, как было описано выше. Кроме того, выходные зажимы трансформаторов 3А, 3В и 3С соединены с зажимами питания трехфазного электропривода 2. Зажимы являются начальными точками и/или конечными точками двойного слоя обмоток 8 с двумя изолированными точками звезд.

По аналогии с фиг.2 фиг.4 изображает схематичный вид четвертого варианта осуществления устройства 1 в соответствии с настоящим изобретением, которое соединено с однофазным сопротивлением с индуктивной реактивной составляющей 2. Вместо двух инверторов в настоящем варианте осуществления используются три инвертора для генерирования трех выходных напряжений U₁, U₂ и U₃. При использовании устройства 1 посредством комбинированных индуктивных элементов 3D, 3E, 3F и 3G высокочастотные дифференциальные компоненты трех выходных сигналов U₁, U₂ и U₃ по существу отфильтровываются. Подобно тому, как показано на фиг.3, использование устройства в соответствии с фиг.4 может обеспечить приведение в действие трехфазной электрической машины. Естественно, могут быть также созданы другие схемы, которые выполняют такую же или по существу такую же функцию, как и устройство 1 в соответствии с фиг.4. В данном варианте насыщение устройства может быть предотвращено путем обеспечения в среднем одинаковых выходных токов в каждой ветви и одинакового количества противоположных витков в индуктивных элементах 3, то есть так, чтобы количество витков, генерирующих поле в положительном направлении, было равно количеству витков, генерирующих поле в отрицательном направлении.

Фиг.5, 6 и 7 изображают графические представления соответственно результирующего напряжения, которое существует в зажиме питания сопротивления, имеющего преимущественно индуктивный характер, силу тока на выходе инвертора и силу тока, который подается через зажимы питания в сопротивление, имеющее преимущественно индуктивный характер.

На горизонтальной оси, по которой отложено время, в интервале 0-5 мс показана ситуация, когда трехфазной электрической машиной управляет один инвертор в соответствии с известным уровнем техники. В интервале 5-10 мс показана ситуация, когда трехфазной электрической машиной управляют два инвертора для параллельной подачи, как показано на фиг.2, и в интервале 10-15 мс показана ситуация, когда трехфазной электрической машиной управляют три инвертора для параллельной подачи, один из которых показан на фиг.4.

Фиг.5 изображает заранее установленное контрольное напряжение 20 разности напряжений U₁₂ между первой и второй фазой, которая представлена в электрической машине. В показанном примере управляемым выходным сигналом инвертора (инверторов) является импульсно-кодовая модуляция 21 с тремя уровнями. При использовании более двух инверторов с параллельной подачей количество дискретных уровней увеличивается, соответственно, до пяти и семи (интервалы 5-10 мс и 10-15 мс).

Фиг.6 изображает в вышеуказанных интервалах соответствующие электрические выходные токи i_inv из инверторов для всех трех фаз. Очевидно, что амплитуда сигналов из отдельных инверторов уменьшается. Однако это компенсируется за счет комбинирования сигналов.

Кроме того, фиг.7 изображает результирующие электрические токи i_mot, которые представлены на зажимах трех фаз электрической машины. В соответствии с настоящим изобретением пульсация сигнала тока уменьшается с увеличением количества параллельно соединенных инверторов. Это обусловлено фильтрацией высших гармоник.

Настоящее изобретение не ограничено описанным здесь примером осуществления. Возможно множество вариантов.

Например, индуктивный элемент может быть выполнен не только как трансформатор, но также и как другой индуктивный элемент, такой как тороид, дроссель, ферритовое кольцо, стальной сердечник, синфазный дроссель, дроссель с компенсацией по току и др.

Устройство для соединения с электрическим сопротивлением, имеющим преимущественно индуктивный характер, содержащее реактивный элемент, может быть также установлено в сопротивлении, имеющем преимущественно индуктивный характер. В варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением индуктивный элемент, по меньшей мере, частично выполнен посредством блока обмоток сопротивления, имеющего преимущественно индуктивный характер. Однако возможно также размещение устройства отдельно, за пределами сопротивления, имеющего преимущественно индуктивный характер. Устройство может быть также размещено в одном или более инверторах.

Кроме того, вместо импульсно-кодовой модуляции для выходных сигналов инверторов может быть также использован другой метод, например управление гистерезисом.

Вместо электрической машины переменного тока возможно также использование другого типа электрического сопротивления, имеющего преимущественно индуктивный характер, например электрической машины, в которую подается постоянный ток и/или постоянное напряжение.

Кроме того, электрическое сопротивление, имеющее преимущественно индуктивный характер, может быть использовано в качестве нагрузки, например, для преобразования электрической энергии в механическую энергию, как в электродвигателе, а также в качестве источника для генерирования электрической энергии, как в генераторе.

Такие варианты будут понятны для специалистов в данной области техники и также характеризуются прилагаемой формулой изобретения.

Настоящее изобретение относится к устройству для соединения с электрическим сопротивлением (2), имеющим преимущественно индуктивный характер. Устройство содержит реактивный элемент (3А, 3В, 3С). Кроме того, устройство снабжено выходами (U1, U2, W1, W2, V1, V2) для введения выходных сигналов электрических инверторов для параллельного подвода и, по меньшей мере, одним выходом для соединения с зажимом питания для фазы сопротивления, так что устройство создано по существу для фильтрации высокочастотного дифференциального компонента, по меньшей мере, двух выходных сигналов во время использования. Технический результат - уменьшение уровня высших гармоник. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для соединения с электрическим сопротивлением, имеющим преимущественно индуктивный характер, содержащее
первый и второй электрические инверторы для параллельной подачи первого и второго выходных сигналов импульсно-кодовой модуляции, причем моменты переключения первого и второго инверторов устанавливаются по-разному относительно друг друга,
реактивный элемент, снабженный трансформатором, имеющим первую обмотку и вторую обмотку, при этом трансформатор имеет
по меньшей мере, один выход для соединения с зажимом питания для фазы сопротивления,
первый вход для ввода первого выходного сигнала первого электрического инвертора, при этом первый вход соединен с первой обмоткой для прохождения первого выходного сигнала в первой обмотке,
второй вход для ввода второго выходного сигнала второго электрического инвертора, при этом второй вход соединен со второй обмоткой для прохождения второго выходного сигнала во второй обмотке, так что первый выходной сигнал и второй выходной сигнал проходят в противоположных направлениях через соответствующие обмотки, так что первый выходной сигнал и второй выходной сигнал генерируют противоположные магнитные потоки в первой и второй обмотках и так что устройство сконфигурировано для обеспечения по существу фильтрации высокочастотного дифференциального компонента, по меньшей мере, двух выходных сигналов во время использования.

2. Устройство по п.1, содержащее выходы для соединения с трехфазным сопротивлением, имеющим преимущественно индуктивный характер.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором реактивный элемент содержит индуктивный элемент для развязки инвертора источника напряжения.

4. Устройство по п.1 или 2, в котором первый и второй электрические инверторы сконфигурированы для генерирования первого и второго выходных сигналов, каждый с множеством дискретных уровней, причем реактивный элемент объединяет первый и второй выходные сигналы, увеличивая посредством этого количество дискретных уровней.

5. Устройство по п.1, в котором сопротивление включает электрический привод.

6. Устройство по п.1, в котором сопротивление включает привод компрессора.

7. Устройство по п.1, в котором сопротивление включает привод, имеющий высокую номинальную скорость.

8. Устройство по п.1, в котором устройство размещено в упомянутом сопротивлении.

9. Устройство по п.1, в котором индуктивный элемент, по меньшей мере, частично выполнен посредством блока обмоток сопротивления.

10. Устройство по п.1, в котором моменты переключения инверторов различаются.

11. Устройство по п.1, которое расположено таким образом, что во время периода повторения импульса один выходной сигнал, который вводится в реактивный элемент, остается неизменным.

12. Устройство по п.1, которое расположено таким образом, что выходное напряжение реактивного элемента во время периода повторения импульса включает только два состояния, в которых напряжение максимально приближается к заранее установленному контрольному напряжению.

13. Устройство по п.1, в котором электрическое сопротивление, имеющее преимущественно индуктивный характер, содержит активный выпрямитель и/или активный фильтр.

14. Устройство по п.1, установленное также для переключения между электрическими инверторами для параллельного подвода.

15. Способ для обеспечения электроснабжения зажима питания для фазы электрического сопротивления, имеющего преимущественно индуктивный характер, способ, содержащий этапы, на которых:
предоставляют выходные сигналы электрических инвертеров для параллельной подачи, при этом выходные сигналы являются выходными сигналами импульсно-кодовой модуляции, причем моменты переключения выходных сигналов от разных инверторов устанавливаются по-разному относительно друг друга;
вводят выходные сигналы в устройство для соединения с электрическим сопротивлением, при этом устройство содержит реактивный элемент; и
осуществляют фильтрацию высокочастотного дифференциального компонента, по меньшей мере, двух выходных сигналов.