СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2015 года по МПК H02M5/293 H02M7/483 H02M7/527 

Изобретение относится к способу формирования изменяемого по частоте выходного напряжения u_a посредством модульного многоуровневого выпрямителя тока (М2С), причем выпрямитель тока посредством подключения и отключения подмодулей формирует аппроксимируемое дискретнымм ступенями напряжения синусоидальное переменное напряжение с первой круговой частоты ω₀, которая лежит между нулевой частотой ω_0,min, и второй круговой частотой ω_0,max, из входного напряжения U_d.

Изобретение также относится к устройству для осуществления способа для формирования изменяемого по частоте выходного напряжения u_a из входного напряжения U_d посредством модульного многоуровневого выпрямителя тока (М2С), при котором для формирования выходного напряжения сконфигурированы ветви, каждая из которых состоит из последовательного соединения нескольких подмодулей.

Многоуровневые выпрямители тока могут на своих выходных клеммах формировать напряжения с незначительным содержанием высших гармоник, которые очень близки к желательной синусообразной форме напряжения.

В настоящее время известны многие многоуровневые топологии, такие как 3-уровневые NPC, конверторы с навесными конденсаторами, каскадные Н-мостовые конверторы, как описано в Bin Wu, “High-Power Converters And AC Drives”, John Wiley & Sons Inc., Hoboken, New Jersey, USA, 2006.

Относительно новой топологией является модульный многоуровневый выпрямитель тока (М2С, M²LC), как описано в R. Marquardt, A. Lesnicar, J. Hildinger, “Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendung bei hohen Spannungen”, ETG-Fachtagung, Bad Nauheim, 2002; R. Marquardt, A. Lesnicar, “New Concept for High Voltage Modular Multilevel Converter”, Proc. of IEEE-Power Electronics Specialists Conference (PESC), Aachen, 2004.

Последний является в настоящее время предметом применения и исследования. Существенным признаком М2С является последовательное соединение нескольких ячеек, так называемых подмодулей.

Для способа функционирования является необходимым, что каждая из этих ячеек имеет накопитель энергии, который может быть реализован как конденсатор постоянного напряжения.

При работе многоуровневого выпрямителя тока согласно уровню техники следует учитывать изложенные далее условия.

Так как накопители энергии заряжаются и разряжаются не через внешние монтажные цепи, как, например, через отделенные по потенциалу выпрямители тока, временная характеристика накопленной энергии сильно зависит от режима работы преобразователя переменного тока и/или нагрузки. Так релевантное для изложения колебание энергии согласно [R. Marqardt, … “Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendungen bei hohen Spannungen”…], в случае так называемого «режима работы без контурных токов», зависит обратно пропорционально от частоты основного колебания тока нагрузки.

Контурными токами называют здесь компоненты тока в ветвях преобразователя переменного тока, которые не протекают ни через подключение к промежуточному контуру постоянного тока (DC), ни через нагрузку. «Режим без контурных токов» характеризуется, таким образом, тем, что токи в ветвях преобразователя переменного тока содержат только компоненты, которые протекают через DC промежуточный контур и нагрузку.

В соответствии с этим «режим без контурных токов» при «малых» частотах основных колебаний невозможен или возможен только с ограничениями. Это, в частности, необходимо учитывать при эксплуатации электрических машин.

В частности, при применениях двигателя или генератора должен быть реализован быстрый пуск машины на расчетной частоте f_N, чтобы ограничить ввод энергии в конденсаторы подмодулей. Тем самым возникают дополнительные ограничения области применения на основе свойств приводимой механической системы.

Ограничение рабочей частоты f₀ преобразователя переменного тока до частоты f_0,Min<f₀<f_0,Max. Применительно к машинам это означает «жесткий» пуск машины из состояния покоя.

Одной возможностью реализации быстрого запуска является ограничить рабочую частоту преобразователя переменного тока до 0<f_0,Min<=f₀<=f_0,Max. В частности, при асинхронных машинах это означает «жесткий» запуск из состояния покоя на частоте

.

Здесь р представляет число пар полюсов, f_Mech - механическое число оборотов машины и s_x - проскальзывание.

Таким образом, невозможен никакой стационарный режим работы при частотах f₀<f_0,Min, то есть никакое торможение постоянного тока и никакой мягкий пуск из состояния покоя. Следует обращать внимание на то, чтобы последовательно подключенная механическая система не была повреждена, возможно, возникающими толчками вращающего момента.

Другой возможностью для снижения колебаний энергии является подстройка амплитуды тока нагрузки в зависимости от частоты f₀,О_L=g(f₀), с целью ограничения ввода энергии в конденсаторы подмодулей. Таким образом, происходит снижение мощности М2С, в приводах это соответствует снижению вращающего момента. В сетевых применениях это соответствует снижению передаваемой мощности.

Кроме того, должно учитываться влияние на ввод энергии в конденсаторы подмодулей посредством дополнительных компонентов тока в преобразователе переменного тока, которые не протекают через DC-вывод или нагрузку. Частыми последствиями этого влияния являются дополнительные потери проводимости и потери при переключении в полупроводниковых компонентах, дополнительные потери внутри преобразователя переменного тока на омических сопротивлениях, увеличение площади кремния полупроводниковых компонентов, а также снижение коэффициента полезного действия.

Влияние на ввод энергии в конденсаторы подмодулей путем варьирования разности из суммы напряжения на клеммах подмодулей выше клемм подключения нагрузки или сети и суммы напряжения на клеммах подмодулей. Это варьирование соответствует модуляции синфазного напряжения.

Эта мера возможна не во всех системах. Если она возможна, то модуляция среднего коэффициента модуляции напряжения часто ограничивается техническими требованиями применения. Примерами этого являются требования к изоляции. Модуляция среднего коэффициента модуляции напряжения подмодуля приводит к изменению потерь при переключении.

За счет подходящих комбинаций влияния на ввод энергии за счет контурных токов и вариации синфазного напряжения работа выпрямителя тока согласно [Korn, Winkelnkemperg, “Low output Freq…”] также возможна при f₀<<f_N. В частности, при упомянутом способе возможен режим работы при f₀=0 Гц.

Раскрытие этого содержится в A.J. Korn, M. Winkelnkemper, P. Steimer, “Low output frequency operation of the modular multi-level converter”, Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010 IEEE, Sept. 2010, pp.3993-3997.

Другой возможностью является также расчет конденсаторов подмодулей на минимальную частоту f_0,Min непрерывного режима работы. Выбор параметров с запасом относительно номинальной частоты f_N увеличивает затраты. Кроме того, дополнительно накопленная энергия в преобразователе переменного тока повышает затраты для выполнения требований по безопасности.

Подводя итоги, справедливо следующее:

- Работа модульного многоуровневого выпрямителя тока (М2С) для f₀<f_N при номинальном токе преобразователя переменного тока приводит к возрастанию затрат на конденсаторы и/или мощные полупроводники и/или дополнительным требованиям к нагрузке, например изоляции нулевой точки соединения звездой (нейтрали) машины.

- Работа при частоте f₀<f_N при сниженном токе заметно ограничивает технические данные преобразователя переменного тока, так что возможные области применения существенно сокращаются. Так, например, 4-квадрантный привод, в котором во всем диапазоне для вращающего момента машины требуется М=M_N, невозможен.

Таким образом, в основе изобретения лежит задача предложить способ для формирования выходного напряжения и устройство для осуществления способа, посредством которых издержки на конденсаторы и полупроводники и, тем самым, связанные расходы при заданном токе нагрузки снижаются, достигается упрощение управления и регулирования для рабочего диапазона ω₁<ω₀<ω₂, и потери выпрямителя тока снижаются.

Кроме того, речь идет об открытии дополнительных областей применения преобразователя переменного тока, например, для непрерывного режима работы при малых частотах или режима работы электрической машины с постоянным вращающим моментом в широком диапазоне чисел оборотов без вышеуказанных мер.

Согласно изобретению эта задача в способе вышеуказанного типа решается тем, что входное напряжение U_d в зависимости от круговой частоты ω₀ в диапазоне между круговой частотой ω₁, которая равна или больше, чем нулевая частота ω₀, и круговой частотой ω₂ для снижения затрат на конденсаторы в выпрямителе тока, управляется или регулируется таким образом, что оно возрастает с возрастанием частоты.

При этом ω=2πf, в частности, справедливо ω₀=2πf₀.

При этом круговая частота ω₀, которая отображает частоту основного колебания или рабочую частоту выпрямителя тока, лежит в диапазоне между нижним ограничением частотного диапазона ω_0,min и второй круговой частотой ω_0,min, которая обозначает верхнее ограничение частотного диапазона.

Рассматривается величина круговой частоты.

Минимальная частота ω_0,min представляет, таким образом, наименьшую реализуемую частоту при работе выпрямителя тока и является большей или равной 0.

0≤ω_0,Min≤ω₀≤ω_0,Max

При управлении или регулировании DC-напряжения U_d в точке подключения выпрямителя переменного тока в зависимости от круговой частоты ω₀ основного колебания осуществляется это управление или регулирование между нижней минимальной частотой ω₁ и второй круговой частотой ω₂.

ω₁≤ω₀≤ω₂

В соответствии с изобретением изменение DC-напряжения U_d на промежуточном контуре постоянного напряжения предусмотрено в зависимости от круговой частоты ω₀ основного колебания или от частоты f₀ основного колебания выпрямителя тока при учете амплитуды О_L тока нагрузки и/или напряжения на клеммах. Посредством этого изменения DC-напряжения U_d в соответствии с изобретением оказывается влияние на ввод энергии в конденсаторы подмодулей М2С.

Опционально возможны дополнительная модуляция синфазного напряжения и сдвиг энергии за счет дополнительных компонентов тока. Изменение DC-напряжения U_d в промежуточном контуре обуславливает схему, которая может предоставить изменяемое напряжение U_d. Выбор подобных схем в примере выполнения приводится ниже.

Изобретение также относится к способу формирования напряжения U_d в DC промежуточном контуре из изменяемого по частоте входного напряжения u_a посредством модульного многоуровневого выпрямителя тока (М2С).

В другом выполнении изобретения предусмотрено, что подключение и отключение по меньшей мере одного подмодуля осуществляется ступенчато.

В другом выполнении изобретения предусмотрено, что подключение и отключение по меньшей мере одного подмодуля осуществляется посредством управления с модуляцией по длительности импульса (PWM).

Одна форма управления подмодулями состоит в том, чтобы управлять одним или несколькими модулями посредством PWM управляющих сигналов.

В другом выполнении изобретения предусмотрено, что напряжение U_d монотонно возрастает в зависимости от круговой частоты ω₀.

В особом выполнении изобретения предусмотрено, что напряжение U_d линейно возрастает в зависимости от круговой частоты ω₀ по меньшей мере на одном интервале.

В одной форме выполнения изобретения предусмотрено, что входное напряжение U_d нелинейно возрастает в зависимости от круговой частоты ω₀ по меньшей мере на одном интервале.

Согласно изобретению, характеристика напряжения для напряжения U_d может монотонно возрастать в зависимости от круговой частоты ω₀. Тем самым не обязательно должна иметь место линейная зависимость между U_d и ω₀, напряжение U_d в зависимости от ω₀ либо сохраняет свое значение, либо становится больше.

Но характеристика напряжения может также по меньшей мере на одном подлежащем рассмотрению интервале иметь линейное нарастание.

В варианте выполнения изобретения предусмотрено, что входное напряжение U_d управляется или регулируется в дополнительной зависимости от тока нагрузки и/или напряжения на клеммах или напряжения нагрузки М2С и/или вращающего момента машины, управляемой с помощью выходного напряжения u_a.

Наряду с зависимостью входного напряжения U_d от круговой частоты, возможны дополнительные зависимости, например, от тока нагрузки или напряжения на клеммах подлежащей управлению машины. Также существует возможность учитывать требуемый вращающий момент машины при формировании напряжения U_d.

В варианте изобретения предусмотрено, что входное напряжение U_d управляется или регулируется в дополнительной зависимости от модуляции синфазного напряжения нагрузки.

В другой реализации изобретения предусмотрено, что входное напряжения U_d управляется в дополнительной зависимости от сдвига энергии между накопителями энергии выпрямителя тока посредством дополнительных компонентов тока в ветвях тока выпрямителя тока.

Напряжение в DC промежуточном контуре U_d также обозначается как входное напряжение.

В соответствии с изобретением, задача в отношении вышеуказанного устройства решается тем, что перед выпрямителем тока, для снижения затрат на конденсаторы в выпрямителе тока, с входной стороны предварительно подключены средства для изменения входного напряжения U_d.

Это изменение входного напряжения U_d может осуществляться тем, что к выпрямителю тока с входной стороны предварительно подключены одно или несколько средств для изменения входного или DC-напряжения U_d промежуточного контура.

В одном выполнении изобретения предусмотрено, что средство для изменения входного напряжения U_d состоит из регулируемого трансформатора и выпрямителя.

Одной из простейших форм является использование диодных выпрямителей. Другая возможность состоит в применении спаренного М2С или другого выпрямителя тока с промежуточным контуром напряжения или выпрямителя тока с промежуточным контуром тока. Они функционируют как выпрямитель или инвертор.

В другом выполнении предусмотрено, что средство для изменения входного напряжения U_d состоит из выпрямителя тока с промежуточным контуром тока.

В особой форме выполнения предусмотрено, что средство для изменения входного напряжения U_d состоит из выпрямителя сетевой стороны и DC/DC-преобразователя.

В дальнейшем развитии изобретения предусмотрено, что средство для изменения входного напряжения U_d состоит из выпрямителя тока с промежуточным контуром напряжения.

В другой форме выполнения предусмотрено, что выпрямитель тока с промежуточным контуром напряжения состоит из 2-уровневого преобразователя переменного тока, трехуровневого NPC, 3-уровневого конвертора источника напряжения с навесным конденсатором или любого многоуровневого конвертора источника напряжения с навесным конденсатором или многоуровневого с ограничением конвертора с активной нейтральной точкой (ANPC).

Далее приведены некоторые источники предшествующего уровня техники:

Изобретение поясняется далее более подробно на примере выполнения. При этом на соответствующих чертежах показано следующее:

Фиг. 1 - схемотехническая реализация подмодуля М3С согласно уровню техники,

Фиг. 2 - возможная структура схемы М2С с N подмодулями на ветвь согласно уровню техники,

Фиг. 3а - представление принципиальной зависимости напряжения U_d от ω₀,

Фиг. 3b - представление принципиальной зависимости Ы_LN от ω₀,

Фиг. 4 - пример схемы для изменения напряжения U_d (нагрузка: мотор/генератор (асинхронная машина, синхронная машина, …)/сеть трехфазного тока) - схемная комбинация из (возможно, ступенчато) регулируемого трансформатора, диодного выпрямителя и М2С,

Фиг. 5 - другой пример схемы для изменения напряжения U_d со схемной комбинацией из CSR (источник тока-выпрямитель) и М2С,

Фиг. 6 - третий пример схемы для изменения напряжения U_d со схемной комбинацией, состоящей из выпрямителя тока NSR сетевой стороны, DC/DC-преобразователя и М2С, и

Фиг. 7 - схематичное представление выходного напряжения преобразователя переменного тока (напряжения проводник-нейтраль) в зависимости от напряжения U_d; не осуществляется никакая PWM-модуляция подмодулей.

Для М2С известны различные способы регулирования и управления, такие как описано, например, в M. Nagiwara, H. Akagi, “PWM control and experiment of modular multilevel converters”, Power Electronics Specialists Conference (PESC) 2008, PESC 2008 IEEE, page 154-161, которые оказывают влияние на колебания энергии в конденсаторах подмодулей. Наряду с реализованными способами управления или регулирования, тип режима работы и выпрямителей тока оказывает решающее влияние на колебание энергии. По этой причине на примерах поясняются существенные зависимости колебаний энергии для способа, а также показано влияние напряжения U_d.

Структура ячейки, размещенной в последовательной схеме соединения, или так называемого подмодуля М2С, представлена на фиг. 1, причем также возможны другие варианты схем.

На фиг. 2 показана структура схемы М2С, например, для формирования трехфазной системы напряжений на клеммах U, V, W. Описание справедливо, однако, для любого числа m фаз, m∈{1, 2, 3 …}. Для способа функционирования важны дроссели Lz ветвей, чтобы избежать выравнивания энергий подмодулей преобразователя переменного тока в момент включения ячейки. При этом дроссели ветвей фазы (U, V, W) могут быть магнитно связаны. Возможные сопротивления на фиг. 2 не показаны. Напряжение U_d предоставляется, например, посредством сетевого выпрямителя тока (пассивный входной каскад (PFE) или активный входной каскад (AFE)) и может сглаживаться посредством конденсаторов в промежуточном контуре постоянного напряжения.

Известными комбинациями М2С являются следующие:

- М2С с диодным мостом (PFE)

- М2С с М2С (AFE)

- М2С с 3L-NPC-VSC в качестве AFE.

Также возможны другие варианты. Особенно предпочтительными в схеме М2С являются следующие свойства:

- высокая готовность оборудования за счет избыточности

- строго модульная конструкция

- выходное напряжение с низким уровнем высших гармоник, качество выходного напряжения может повышаться за счет количества подмодулей

- простая настройка на различные мощности и напряжения

- выдерживание кратковременных сетевых отказов

- надежный запуск из состояния не под напряжением (аварийный старт, из полностью обесточенного состояния)

- сетевые применения: возможна изолированная работа

- сетевые применения: незначительные или отсутствующие затраты на фильтрацию

- машинные применения: возможны любые типы машин (асинхронные, синхронные, …)

- режим работы без фильтрации при стандартных двигателях

- возможны конфигурации DC-шин

- возможны стандартные трансформаторы или отсутствие трансформаторов.

Существенные недостатки схемы приведены ниже:

- высокие затраты на емкостные накопители энергии

- высокие затраты на управление и/или регулирование

- зависимость колебаний энергии в накопителях энергии от тока нагрузки и частоты f₀ основного колебания нагрузки, а также типа рабочего режима выпрямителя тока

- при низких выходных частотах

- повышенные затраты на конденсаторы

- при обстоятельствах, повышенное напряжение нейтрали

- при обстоятельствах, дополнительные компоненты в токе ветвей (повышенные потери)

- высокое искажение выходного напряжения.

Известный недостаток решений уровня техники при так называемом режиме работы без контурных токов состоит в том, что в М2С колебание энергии в конденсаторах подмодулей зависит от амплитуды О_L и частоты f₀ основного колебания тока нагрузки.

Без соответствующих дополнительных мер, то есть при О_L=konstant, U_d=konstant при уменьшении частоты f₀ основного колебания тока нагрузки приходится считаться с увеличением колебания энергии в конденсаторах подмодулей.

Эта техническая проблема решается изобретением.

Далее выполняются сильно упрощенные рассмотрения на М2С. Для описания реального режима работы они недостаточны, однако являются достаточными для сущности изобретения. Целью изложения является показать влияние переменного напряжения U_d на примере одного типа режима.

Исходим из симметричной структуры преобразователя переменного тока, соответствующие компоненты, такие как дроссели L_z ветвей или подмодулей (SM), имеют идентичные параметры. Структура преобразователя переменного тока с N подмодулями на каждую ветвь представлена на фиг. 2. В применяемой модели дроссели ветвей одной фазы магнитно не связаны. Обоснования относительно колебаний энергии в М2С с магнитно связанными дросселями ветвей являются подобными и поэтому отдельно не приводятся.

В литературе известны различные способы для регулирования М2С. Для настоящего описания не делается никаких ссылок на них. Достаточны простые физические рассуждения для стационарного режима работы. Они относятся только к основному колебанию. Влияния синфазного напряжения из-за модуляции подмодулей не происходит, кроме того, не накладываются никакие дополнительные компоненты тока ветви. Кроме того, пренебрегаем падениями напряжения на дросселях L_z ветвей.

В качестве режима работы рассматривается стационарный симметричный режим. Он характеризуется тем, что все 6 ветвей должны реализовать одинаковые суммарные напряжения модулей, которые в общем случае смещены во времени. При симметричном режиме преобразователя переменного тока верхние и нижние модули одной фазы при усреднении по времени должны реализовывать на клеммах напряжение

1

Для формирования вращающегося поля на клеммах U, V, W, кроме того, необходима синусоидальная модуляция в форме

2

Тем самым напряжения, подлежащие реализации на клеммах подмодулей, соответствуют

3-8

причем пренебрегаем падениями напряжений на дросселях ветвей и, возможно, имеющихся сопротивлениях.

Рассматривается нагрузка на клеммах U, V, W, которая проводит синусоидальные токи

9

Разделение токов нагрузки на ветви 1-6 предполагается равномерным. Поэтому для токов в ветвях следует

10-15

причем i_d - ток на DC-выводе. На основе стационарного режима di_d/dt=0, таким образом, для падения напряжения на дросселях L_d следует u_Ld=0.

Также можно при практических применениях часто пренебрегать падением напряжения на сопротивлениях R_d, так что в последующем будем исходить из u_d=U_d.

При усреднении по времени в каждом из j модулей ветви i (i ∈{1, 2, …, 6}, j∈{1, 2, …, N}) преобразуется мощность

16

Последующие рассуждения относятся к модулю ветви 1, они также справедливы для модулей остальных ветвей 2 и 3. На модулях ветви 1 преобразуются мощности

17

Для того чтобы энергия оставалась постоянной на периоде в накопителе энергии подмодуля, должно выполняться

18

При этом условии уравнение 17 преобразуется к виду

19

Для того чтобы обсуждение дополнительно упростить, исходим из индуктивной нагрузки, т.е. φ_U=φ_iL+π/2, но следующие выводы справедливы также и для общих случаев нагрузки.

Угол φ_iL тока устанавливается в φ_iL=0. Тем самым согласно уравнению 19 получаем

20

Эта взаимосвязь описывает периодический ввод энергии в подмодуль. Этот ввод энергии прямо пропорционален току О_L нагрузки и приводит к периодическому изменению содержания энергии в накопителе энергии подмодуля. Содержание энергии может определяться путем интегрирования уравнения 20

21

с накопленной в среднем энергией W_ij0 в стационарном режиме работы. Зависимая от времени часть содержания энергии прямо пропорциональна току нагрузки и обратно пропорциональна круговой частоте ω₀.

В особом случае Ы_LN<<U_d/2 уравнение 21 упрощается до

22

В этом случае амплитуда изменения энергии прямо пропорциональна напряжению U_d. Это мотивирует формировать U_d не постоянным, а изменяющимся. При этом U_d не может изменяться произвольно. За счет структуры М2С максимально реализуемое напряжение проводник-нейтраль без влияния синфазного напряжения за счет модуляции ограничивается до

Это уравнение можно также интерпретировать по-другому. При требуемом напряжении Ы_LN должно выполняться

U_d≥2 Ы_LN 24

Остается установить, что путем варьирования напряжения U_d на колебание энергии в накопителях энергии может оказываться соответствующее влияние. Наряду со снижением тока О_L, это представляет также дополнительную возможность для ограничения колебания энергии в накопителях энергии при изменяемой круговой частоте ω₀. Однако, в особенности при машинных применениях, снижение тока О_L на основе снижающегося тем самым вращающего момента зачастую возможно только в ограниченной степени.

В соответствии с изобретением напряжение U_d формируется изменяемым согласно U_d=U_d(ω₀). За счет соответствующего выбора U_d(ω₀) на колебание энергии в модулях может оказываться влияние в соответствии с применением.

В качестве исходной рассматривается линейная зависимость DC-напряжения от круговой частоты ω₀

причем возможны и другие начальные установки. Эта линейная взаимосвязь является реализуемой на практике не для любых круговых частот ω₀, так что в качестве действительной области должно рассматриваться

для ω₂=ω_N ω₁<ω₀<ω₂ 26

Эти взаимосвязи показаны на фиг. 3а. В качестве нагрузки на клеммах U, V, W рассматривается двигатель. Для того чтобы упростить рассуждения, исходим из U/f-управления двигателем. Зависимость напряжения проводник-нейтраль может приближенно описываться с помощью

Характеристика показана на фиг 3b. Для определения колебания энергии в накопителях энергии подмодулей ветви 1 необходимо интегрирование уравнения 19

причем амплитуда Ы_LN выражена через относительную величину ы_LN

Подстановка уравнения 25 и 27 в уравнение 28 дает

при

Отсюда следует, что амплитуда колебания энергии в подмодулях для круговых частот ω₀

ω₁<ω₀<ω₂

при О_L, φ_U, φ_iL одинаково постоянна независимо от круговой частоты ω₀.

Далее представлены примеры схем для изменения напряжения U_d. В предшествующем обсуждении описывалось влияние переменного напряжения U_d. На фиг. 4, 5 и 6 приведены в качестве примера некоторые схемные принципы, которые обеспечивают возможность получения переменного напряжения U_d. Однако это не претендует на полноту описания. Также не обсуждаются преимущества или недостатки возможностей реализации.

Если напряжение U_d предоставляется через диодный выпрямитель, то изменяемое напряжение U_d обеспечивается посредством изменения входного напряжения выпрямителя. Это представлено на фиг. 4.

Пример схемы для изменения напряжения U_d, который может также работать и без трансформатора, показан на фиг. 5. Изменяемое напряжение U_d в этом случае создается посредством выпрямителя источника тока (CSR) с подключаемыми и отключаемыми полупроводниками.

Также возможны схемные комбинации согласно фиг. 6. При этом постоянное напряжение сетевого выпрямителя тока (NSR) посредством DC/DC-преобразователя еще раз настраивается.

В случае многоуровневых преобразователей переменного тока известно, что качество выходного напряжения снижается при снижении степени модуляции. Для иллюстрации этого можно сослаться на фиг. 7 (сплошная, прерывистая и пунктирная линии).

Улучшение качества напряжения может достигаться посредством различных уровней напряжения отдельных ступеней, подмодулей. Эти различные уровни напряжения ступеней могут быть реализованы посредством различных напряжений в конденсаторах подмодулей. В условиях модульности этот подход к решению является скорее неблагоприятным.

Другая возможность повышения качества напряжения состоит в настройке среднего напряжения подмодуля на напряжение U_d выше изменения энергии, сохраненной в накопителях энергии подмодулей.

Настройка среднего напряжения соответствует измененной «высоте ступени» выходного напряжения. На фиг. 7 характеристика устанавливающегося выходного напряжения при настроенном напряжении конденсаторов подмодулей показана прерывистой линией.

Снижение колебания энергии приводит к минимизации затрат на конденсаторы подмодулей, упрощению управления и регулирования М2С, снижению общих потерь, устранению высоких коэффициентов модуляции синфазного напряжения и/или дополнительных компонентов тока ветвей (контурных токов), а также к расширению областей применения М2С, например для непрерывного режима работы при малых частотах.

Дополнительным преимуществом является настройка напряжения конденсатора на изменяемое напряжение U_d. Это обеспечивает высокое качество выходного напряжения при меньших амплитудах выходного напряжения с уже имеющимися подмодулями. Дополнительные резервирования возможны, но не являются необходимыми.

СОКРАЩЕНИЯ

f₀ - частота основного колебания тока нагрузки или рабочая частота выпрямителя тока

f_N - номинальная частота преобразователя переменного тока

i_d - ток, который протекает через DC промежуточный контур

О_L - ток нагрузки (амплитуда)

i₁, i₂ - контурные токи в преобразователе переменного тока, т.е. компоненты тока, которые не протекают ни через DC-источник, ни через нагрузку

m - число фаз преобразователя переменного тока

M - вращающий момент

M_N - номинальный вращающий момент

N - число подмодулей на ветвь

U_d - DC-напряжение в точке подключения выпрямителя тока

Ы_LL - агрегированное напряжение нагрузки (амплитуда)

Ы_LN - напряжение проводник-нейтраль (амплитуда)

u_x - синфазное напряжение

p - число пар полюсов

ветвь - последовательное соединение N подмодулей, дросселя, а также, при обстоятельствах, сопротивлений. Для питания трехфазной нагрузки необходимо 2*3=6 ветвей

u_a - выходное напряжение выпрямителя тока или напряжение на клеммах

ω₀ - любая круговая частота.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для формирования изменяемого по частоте выходного напряжения. Техническим результатом является снижение потерь выпрямителя тока. В способе входное напряжение (U_d) в зависимости от круговой частоты (ω₀) в диапазоне между нижней круговой частотой (ω₁), которая равна или больше, чем нулевая частота (ω₀), и круговой частотой (ω₂) для снижения затрат на конденсаторы в выпрямителе тока управляется или регулируется таким образом, что оно возрастает с возрастанием частоты. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ формирования изменяемого по частоте выходного напряжения u_а посредством модульного многоуровневого выпрямителя тока (М2С), причем выпрямитель тока посредством подключения и отключения подмодулей формирует аппроксимируемое дискретными ступенями напряжения синусоидальное переменное напряжение с первой круговой частотой ω₀, которая лежит между нулевой частотой ω_0,min, и второй круговой частотой ω_0,max, из входного напряжения U_d, отличающийся тем, что входное напряжение U_d в зависимости от круговой частоты ω₀ в диапазоне между нижней круговой частотой ω₁, которая равна или больше, чем нулевая частота ω₀, и круговой частотой ω₂ для снижения затрат на конденсаторы в выпрямителе тока управляется или регулируется таким образом, что оно возрастает с возрастанием частоты.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подключение и отключение по меньшей мере одного подмодуля осуществляется ступенчато.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что подключение и отключение по меньшей мере одного подмодуля осуществляется посредством управления с модуляцией по длительности импульса (PWM).

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что напряжение U_d монотонно возрастает в зависимости от круговой частоты ω₀.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что напряжение U_d линейно возрастает в зависимости от круговой частоты ω₀ по меньшей мере на одном интервале.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что входное напряжение U_d нелинейно возрастает в зависимости от круговой частоты ω₀ по меньшей мере на одном интервале.

7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что входное напряжение U_d управляется или регулируется в дополнительной зависимости от тока нагрузки и/или напряжения на клеммах или напряжения нагрузки М2С и/или вращающего момента машины, управляемой с помощью выходного напряжения u_a.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что входное напряжение U_d управляется или регулируется в дополнительной зависимости от модуляции синфазного напряжения нагрузки.

9. Способ по п. 7 или 8, отличающийся тем, что входное напряжения U_d управляется в дополнительной зависимости от сдвига энергии между накопителями энергии выпрямителя тока посредством дополнительных компонентов тока в токах ветвей выпрямителя тока.

10. Устройство для осуществления способа по п. 1 для формирования изменяемого по частоте выходного напряжения u_a из входного напряжения U_d посредством модульного многоуровневого выпрямителя тока (М2С), при котором для каждого подлежащего формированию выходного напряжения сконфигурирована ветвь, состоящая из последовательного соединения нескольких подмодулей, отличающееся тем, что перед выпрямителем тока для снижения затрат на конденсаторы в выпрямителе тока с входной стороны подключены средства для изменения входного напряжения U_d.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что средство для изменения входного напряжения U_d состоит из регулируемого трансформатора и выпрямителя.

12. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что средство для изменения входного напряжения U_d состоит из выпрямителя тока с промежуточным контуром тока.

13. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что средство для изменения входного напряжения U_d состоит из выпрямителя сетевой стороны и DC/DC-преобразователя.

14. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что средство для изменения входного напряжения U_d состоит из выпрямителя тока с промежуточным контуром напряжения.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что выпрямитель тока с промежуточным контуром напряжения состоит из 2-уровневого преобразователя переменного тока, 3-уровневого NPC, 3-уровневого конвертора источника напряжения с навесным конденсатором или многоуровневого конвертора источника напряжения с навесным конденсатором или многоуровневого с ограничением конвертора с активной нейтральной точкой (ANPC).