МАСШТАБИРУЕМЫЙ ПО МОЩНОСТИ И ЧАСТОТЕ ИНВЕРТОР Российский патент 2016 года по МПК H02M5/293 H02M5/297 H02M7/53846 H02M7/5387 

Изобретение относится к инвертору (преобразователю частоты переменного тока) для обеспечения масштабируемого по мощности и частоте выходного сигнала инвертора.

Предоставление сигналов тока или напряжения с определенной частотой или мощностью имеет значение во многих технических применениях. Примером схемы, где типичным образом используется инвертор, являются индукционный нагрев и индукционные печи. Инверторы или преобразователи постоянного тока в переменный для установок индукционного нагрева являются коммерчески доступными и предлагаются в различных вариантах. Например, фирма GH-Induktion Deutschland предлагает инверторы на основе IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) и MOSFET (полевой транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник). Также продаются преобразователи частоты, которые являются в определенной степени масштабируемыми (например, приборы, продаваемые фирмой EMA Indutec GmbH). Эти приборы при высоких напряжениях изготавливаются с более высокими затратами. Расходы, потери при переключении и объем являются аспектами, где в настоящее время прилагаются усилия для усовершенствования. Технические усовершенствования инверторов описаны, например, в публикациях DE 3910118 A1, DE 10361458 A1, DE 102004021217 A1 и DE 102006032640 A1.

Существует потребность в масштабируемом по частоте инверторе, который характеризуется низкими затратами и может использоваться при высоких токах или напряжениях.

Эта задача решается инвертором, определенным в независимом пункте формулы изобретения и дополнительно охарактеризованным в зависимых пунктах формулы изобретения.

Соответствующий изобретению инвертор вырабатывает масштабируемый по частоте выходной сигнал (например, переменный ток или переменное напряжение). Для формирования этого выходного сигнала сигналы накладываются для получения сигнала со значением частоты, заданным для выходного сигнала инвертора. При этом речь идет, например, об идентичных сигналах (например, импульсных последовательностях или сигналах колебаний). Эти сигналы с помощью центрального управления во времени смещаются таким образом (например, посредством фазового сдвига), что при наложении получается выходной сигнал с желательной или установленной частотой. Управление может быть выполнено таким образом, чтобы инициировать генерацию наложенных сигналов с устанавливаемой частотой. Сигнал со значением частоты, заданным для выходного сигнала инвертора, представляет собой либо уже выходной сигнал инвертора, либо применяется для генерирования выходного сигнала инвертора (генерирования выходного сигнала, например, посредством подходящего преобразования сигналов, полученных путем наложения).

Соответствующий изобретению инвертор, таким образом, обеспечивает возможность генерации с низкими затратами также выходных сигналов с высокой частотой.

Согласно дальнейшему развитию предмета изобретения, инвертор содержит множество инверторных блоков. Инвертор выполнен тогда с возможностью связывания (например, наложения или комбинирования) сигналов инверторных блоков для генерации выходного сигнала инвертора. Предпочтительным образом инверторные блоки выполнены для защиты электроники с помощью трансформатора (разделительный (развязывающий) трансформатор), так что реализуется гальваническое разделение или развязка, чтобы улучшить надежность от электромагнитных помех.

Инвертор может к тому же иметь центральное охлаждение, с помощью которого охлаждаются инверторные блоки.

Инверторные блоки могут, например, размещаться в виде параллельной схемы или последовательной схемы или каскадного включения.

Соответствующий изобретению инвертор выполнен с низкими затратами. Он состоит из отдельных инверторных элементов, которые спроектированы на более низкие частоты или мощности. Эта структура из отдельных элементов с более низкими требованиями обеспечивает возможность предоставления инвертора, который позволяет избежать затрат и нагрузок обычных инверторов с соответственно высокими требованиями. Этот инвертор обеспечивает возможность масштабирования в широком частотном диапазоне. Это явно следует из того, что теоретически самая низкая частота задается нижней частотной границей инверторного элемента, а, напротив, наивысшая частота - максимальной частотой инверторного элемента, умноженной на максимальное число выходных сигналов инверторных элементов. При этом отдельные инверторные блоки предпочтительно являются масштабируемыми также в отношении частоты.

В первой форме выполнения или конфигурации инверторных блоков инвертор выполнен с возможностью наложения выходных сигналов инверторных блоков для образования выходного сигнала инвертора. Управление тогда устанавливается таким образом, чтобы посредством временного смещения этих выходных сигналов вызвать наложение выходных сигналов для образования выходного сигнала инвертора с заданным значением частоты. Этот выходной сигнал инвертора имеет тогда, как правило, более высокую частоту, чем выходные сигналы инверторных блоков. Эта форма выполнения может иметь (дополнительный) развязывающий трансформатор для наложения выходных сигналов инверторных блоков. Кроме того, можно предусмотреть установку частоты для выходных сигналов инверторных блоков.

В рамках второй формы выполнения или конфигурации инверторных блоков инвертор сформирован согласно каскадному соединению инверторных блоков. Управление тогда обеспечивает то, что посредством временного смещения и последующего наложения сигналов внутри по меньшей мере одного из инверторных блоков формируется выходной сигнал этого инверторного блока с заданным значением частоты.

Согласно дальнейшему развитию предмета заявленного изобретения управление выполнено таким образом, чтобы посредством установки или активирования (например, некоторого применяемого для выходного сигнала инвертора количества) инверторных блоков осуществлять управление выходной мощностью или выходной частотой инвертора. В представленной выше первой форме выполнения или конфигурации инверторных блоков посредством количества инверторных блоков определяется количество накладываемых сигналов (например, подключением или отключением применяемых для генерирования выходного сигнала инвертора инверторных блоков), один сигнал на каждый инверторный блок. Выходная частота при заданной частоте переключения накладываемых сигналов непосредственно зависит от того, сколько сигналов и с каким временным смещением накладывается. То есть посредством количества применяемых инверторных блоков можно оказывать влияние на выходную частоту. Дополнительно может предусматриваться управление частотами сигналов инверторных блоков, так что здесь предоставляется еще один параметр управления.

В рамках второй формы выполнения или конфигурации инверторных блоков может предусматриваться, что инверторные блоки переключаются между двумя состояниями (активируются или деактивируются), причем в первом состоянии осуществляется преобразование сигнала, а во втором состоянии, напротив, инверторные блоки не оказывают влияния на выходной сигнал.

Сущность изобретения далее более детально представлена в рамках примера выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

фиг.1 - соответствующий изобретению инвертор,

фиг.2 - соответствующее изобретению наложение сигналов или импульсов,

фиг.3 - вариант соответствующего изобретению инвертора с подачей сигнала только в одну первичную обмотку выходного трансформатора,

фиг.4 - соответствующий изобретению инвертор с последовательно включенными инверторными элементами.

На фиг.1 показан соответствующий изобретению инвертор. Он образован инверторными элементами или шкафами 1-5 силового оборудования. Последующий шкаф n силового оборудования показан пунктиром. Это должно обозначать, что возможно расширение на большее количество шкафов силового оборудования. В частности, уже установленная полная система в случае необходимости является относительно просто расширяемой или в высокой степени масштабируемой путем встраивания дополнительных шкафов силового оборудования.

На основе шкафа 1 силового оборудования схематично представляется структура подобного элемента. Шкаф 1 силового оборудования имеет три входных линии L1, L2, L3. При этом речь идет о трехфазном токе сети трехфазного тока. К трем входным линиям приложено напряжение U, примерно равное 440 В или выше (среднее напряжение). Эти входные линии ведут к компоненту 11, который содержит сетевой фильтр и управление включением. Компонент 11 содержит выпрямитель и схемные элементы (например, конденсаторы) для непрерывной работы с полной нагрузкой.

Компонент 11 соединен со схемой управления 12 для предусмотренных в шкафу 1 силового оборудования схемных элементов, в частности трансформатора 13. Посредством трансформатора 13, который рассчитан на 250 кВА, реализуется гальваническая развязка от сетевого напряжения (развязывающий трансформатор). Трансформатор может представлять собой трансформатор на 250 кВА, 50/60 Гц, который на вторичной стороне содержит 5 систем трехфазного тока или цилиндров 131, 132, 133, 134 и 135 с 5×3 обмотками.

Кроме того, шкаф 1 силового оборудования содержит преобразователь 14 тока/напряжения и выходной фильтр 15. Посредством выходного фильтра 15 может ограничиваться скорость нарастания напряжения, чтобы защитить выходной кабель (LC-кабель). Требование подобной защиты кабеля зависит от возникающих нагрузок и силовых свойств кабеля. Наконец, в шкафу 1 силового оборудования размещается устройство кондиционирования 16 воздуха внутри шкафа.

Предусмотрено пять соответствующих шкафов силового оборудования. Они управляются посредством центральной схемы управления 20. Устройства кондиционирования воздуха отдельных шкафов силового оборудования (элемент 16 для шкафа 1 силового оборудования) снабжаются посредством центрального устройства водяного/воздушного охлаждения 21. Пять шкафов силового оборудования управляются со смещением по времени схемой 20 управления, так что выходные сигналы располагаются друг за другом по времени. Это иллюстрируется на фиг.2. Верхние кривые К1-К5 соответствуют выходным сигналам шкафов 1-5 силового оборудования. При этом речь идет об импульсах синусоидального колебания, генерируемых посредством LC-контура. Отдельные колебания сдвинуты соответственно на 10 мкс и имеют (как указано на кривой К1) период 50 мкс или частоту 20 кГц. Они затем с помощью дополнительного трансформатора комбинируются в общий сигнал G, который на фиг.2 показан внизу и который имеет пятикратную частоту (100 кГц) выходных сигналов отдельных шкафов силового оборудования.

Конкретно, могут быть заданы следующие рабочие характеристики: каждый инверторный элемент 1-5 получает колебание частотой 100 кГц с частотой повторения 20 кГц. Выходное напряжение инверторного элемента равно тогда примерно 2 кВ при применении трансформатора на 250 кВА. Таким образом, получается соответственно силовой блок или преобразовательный блок для 200 кВт и (максимально) 20 кГц. Полная система имеет, например, 5 силовых блоков на мощность 1 МВт с максимальной частотой 100 кГц. Максимальная мощность и частота могут тогда масштабироваться за счет большего или меньшего количества силовых блоков, например, тем, что только часть из пяти шкафов силового оборудования применяется для формирования общего выходного сигнала. Посредством трансформаторов реализуется гальваническая развязка от сети, чтобы при этом удовлетворить аспекты безопасности. Требуемое входное напряжение >440 В просто реализовать; выходное напряжение силового блока до 2 кВ.

Полный блок состоит из пяти одинаковых силовых блоков при 200 кВт и 20 кГц выходного тока, которые включены параллельно на выходной трансформатор 40 с пятью первичными обмотками 401, 402, 403, 404 и 405 (первичная обмотка 40n дополнительно указана в смысле масштабируемости системы). При этом речь идет, например, о высокочастотном трансформаторе с ферритовым сердечником.

Показанные на фиг.1 5-кратные или n-кратные первичные обмотки выходного трансформатора 40 не являются обязательно необходимыми, жесткое параллельное включение к одной обмотке также возможно. Это показано на фиг.3, на которой сигналы инверторных элементов 1-5 вводятся в первичную обмотку 401.

За счет добавления или удаления силовых блоков можно повышать или понижать выходную частоту тока ступенями на величину до 20 кГц. Возможная выходная мощность также совместно масштабируется до 200 кВт. Каждый силовой блок вырабатывает в выходном напряжении до 2 кВт, что снижает необходимые токи и тем самым сечение проводника и затраты на монтаж. Предусмотрен выходной трансформатор 50, который на первичной стороне запитывается всеми силовыми блоками. Вышестоящая схема управления 20 синхронизирует и подает на силовые блоки номинальные значения. Также предусмотрено жидкостное охлаждение 21.

С помощью схемы 50 выходной сигнал может использоваться для применений, например, для индуктивного нагрева при добыче нефти из нефтеносного песка. Трансформатор может настраиваться на требуемую для этого резонансную частоту.

Другое выполнение предмета изобретения показано на фиг.4. Здесь инверторные блоки 1, 2, 3, 4 и 5 включены последовательно. И здесь может устанавливаться, какое количество инверторных блоков применяется. Не требующиеся инверторные блоки могут включаться на сквозное прохождение или включаться транзитно и тем самым не оказывают влияния на выходной сигнал. Это решение предоставляет дополнительную защиту от неисправностей, поскольку в отношении большинства неисправностей неисправный инверторный блок ведет себя как включенный на транзитный проход блок.

Тем самым генерация токов средней частоты в этом высоком классе мощности может быть реализована с низкими затратами. Для этого требуются только меньшие силовые блоки на 200 кВт и максимальную частоту 20 кГц. Масштабируемость максимальной частоты мощного сигнала реализуется посредством большего или меньшего количества силовых блоков. По этой причине вся система является менее затратной и более экономичной, чем обычные решения.

Изобретение представлено в рамках примера выполнения, который, однако, является иллюстративным, но не ограничивающим. Специалисту должны быть очевидны другие модификации, которые базируются на том же принципе и должны быть включены в объем защиты. Например, могут применяться другие выполнения инверторных элементов; также без каких-либо проблем возможны другие реализации наложения отдельных выходных сигналов, а не только посредством трансформатора.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в инверторе для предоставления масштабируемого по частоте выходного сигнала инвертора, в особенности с высокой выходной мощностью. Технический результат - создание инвертора с низкими затратами для высоких напряжений или высоких мощностей. Инвертор содержит схему управления (12) для управления частотой выходного сигнала инвертора согласно задаваемому значению. Схема управления (12) в соответствии с изобретением выполнена таким образом, чтобы для генерации сигнала со значением частоты, заданным для выходного сигнала инвертора, вызывать смещение по времени сигналов и наложение сигналов для получения сигнала со значением частоты, заданным для выходного сигнала инвертора. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Инвертор для предоставления масштабируемого по частоте выходного сигнала инвертора, в особенности с высокой выходной мощностью, содержащий:
- множество инверторных блоков (1, 2, 3, 4, 5, n), содержащих соответственно схемные элементы и схему управления (12), управляющую схемными элементами, и выполненных для генерации сигнала,
- центральную схему управления (20) для частоты выходного сигнала инвертора согласно задаваемому значению, причем
- центральная схема управления (20) выполнена таким образом, чтобы для генерации сигнала со значением частоты, заданным для выходного сигнала инвертора, вызывать смещение по времени сигналов, генерируемых инверторными блоками (1, 2, 3, 4, 5, n), и наложение сигналов для получения выходного сигнала инвертора со значением частоты, заданным для выходного сигнала инвертора.

2. Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что
центральная схема управления (20) выполнена таким образом, чтобы вызывать генерацию наложенных сигналов с устанавливаемой частотой.

3. Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что
инверторные блоки (1, 2, 3, 4, 5, n) содержат соответственно трансформатор (13).

4. Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что
- инвертор выполнен с возможностью наложения выходных сигналов инверторных блоков (1, 2, 3, 4, 5, n) для образования выходного сигнала инвертора, и
- центральная схема управления (20) выполнена таким образом, чтобы посредством временного смещения этих выходных сигналов вызывать наложение выходных сигналов для образования выходного сигнала инвертора с заданным значением частоты.

5. Инвертор по п. 4, отличающийся тем, что
инвертор имеет трансформатор (40) для наложения выходных сигналов инверторных блоков (1, 2, 3, 4, 5, n).

6. Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что
- инвертор сформирован согласно каскадному соединению инверторных блоков (1, 2, 3, 4, 5, n), и
- центральная схема управления (20) выполнена таким образом, чтобы посредством временного смещения и последующего наложения сигналов внутри по меньшей мере одного из инверторных блоков сформировать выходной сигнал этого инверторного блока с заданным значением частоты.

7. Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что
центральная схема управления (20) выполнена таким образом, чтобы посредством установки количества применяемых для выходного сигнала инвертора инверторных блоков (1, 2, 3, 4, 5, n) осуществлять управление выходной частотой и/или выходной мощностью инвертора.

8. Инвертор по п. 7, отличающийся тем, что
центральная схема управления (20) выполнена с возможностью установления применяемого количества выходных сигналов посредством подключения или соответственно отключения инверторных блоков, применяемых для генерации выходного сигнала инвертора.

9. Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что инвертор содержит центральное средство охлаждения (21), с помощью которого охлаждаются отдельные инверторные блоки (1, 2, 3, 4, 5, n).