УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2016 года по МПК H02M7/5395 H02M7/42 H02M5/10 H02M5/40 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Это изобретение относится к устройству преобразования мощности для преобразования одной мощности переменного тока (AC) в другую мощность переменного тока и относится, например, к устройству, которое должно применяться в качестве устройства для возбуждения электродвигателя с переменной скоростью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] На фиг. 17 показан пример конфигурации схемы первого традиционного устройства преобразования мощности. Для того, чтобы добиваться вывода высоковольтного напряжения на электродвигатель, присоединенный к выходной клемме, устройство преобразования мощности на фиг. 17 имеет множество однофазных преобразователей, соответствующие AC-клеммы которые последовательно соединены друг с другом. С целью поставки мощности множеству однофазных преобразователей, множество взаимно изолированных источников мощности постоянного тока (DC) сформированы посредством трансформатора, имеющего множество обмоток и множество диодных выпрямителей, и соединены с DC-сегментами однофазных преобразователей. Между тем, с целью подавления гармонического тока на входной стороне, трансформатор реализуется как трансформатор (фазорегулирующий трансформатор), включающий в себя множественные обмотки 3-11, фазы которых сдвинуты друг относительно друга (см., например, патентный документ 1).

[0003] С другой стороны, на фиг. 18, показан пример конфигурации схемы второго традиционного устройства преобразования мощности. Устройство преобразования мощности на фиг. 18 имеет конфигурацию схемы, которая мультиплексирована с помощью множества трехфазных преобразователей, имеющих общее напряжение постоянного тока, и множества трехфазных трансформаторов, в которых вторичные обмотки трансформаторов последовательно соединены в качестве открытых обмоток друг с другом (см., например, патентный документ 2).

[0004] Кроме того, на фиг. 19, показан пример конфигурации схемы третьего традиционного устройства преобразования мощности. В устройстве преобразования мощности на фиг. 19 каждый из однофазных трансформаторов соединен на своей первичной обмотке с другим из однофазных трансформаторов параллельно-последовательным образом, и последовательные концы соединены с входными клеммами, в то время как ячейка преобразователя, имеющая однофазный мостовой преобразователь/инвертор, которая сконфигурирована, как показано на фиг. 20, с ветвями, которые могут выводить двухуровневое напряжение, соединена со вторичной обмоткой каждого из однофазных трансформаторов. Выходная AC-клемма каждого инвертора соединена с выходной AC-клеммой каждого другого инвертора параллельно-последовательным образом (см., например, патентный документ 3).

СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ССЫЛОК

ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

[0005] Патентный документ 1: Патент США № 5625545 (фиг. 1).

Патентный документ 2: Японский патент № 3019655 (фиг. 1).

Патентный документ 3: Выложенная японская патентная заявка № 2009-106081 (фиг. 1, фиг. 2)

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В первом устройстве преобразования мощности на фиг. 17, с целью подавления гармонического тока на входной стороне, требуется трансформатор (фазорегулирующий трансформатор), включающий в себя множество обмоток, фазы которых взаимно сдвинуты. Поскольку этот вид трансформатора является структурно сложным, существует проблема большого размера и высокой стоимости. Дополнительно, также существует недостаток в том, что поток мощности ограничен в одном направлении посредством диодных выпрямителей.

[0007] Дополнительно, во втором устройстве преобразования мощности на фиг. 18, поскольку трансформаторы используются на выходной стороне, предполагается, что, когда электродвигатель или аналогичная нагрузка, которая требует изменения напряжения, присоединена на выходной стороне, его работа может быть ограничена вследствие вероятности магнитного насыщения трансформатора. В частности, рассматривается такой случай, когда устройство преобразования мощности не может выводить низкочастотное напряжение. Между тем, для того, чтобы формировать общий источник мощности постоянного тока, рассматривается такая конфигурация самокоммутирующегося преобразователя или т.п., которая использует диодные выпрямители и переключающие элементы; однако, в случае формирования источника мощности постоянного тока из источника мощности высокого напряжения, возникает проблема в том, что становится необходимым дополнительный трансформатор, в частности, фазорегулирующий трансформатор с целью уменьшения гармонического тока.

[0008] Кроме того, в третьем устройстве преобразования мощности на фиг. 19, поскольку используются самокоммутирующиеся преобразователи, предоставляется возможность двухстороннего потока мощности, тогда как, поскольку используются однофазные трансформаторы, число трансформаторов увеличивается. Дополнительно, поскольку однофазные трансформаторы соединены напрямую последовательно, существует вероятность того, что напряжение первичной обмотки трансформатора в достаточной степени не делится по напряжению, когда напряжение не выводится преобразователем. В патентном документе 3 присутствует утверждение о том, что трехфазный трансформатор с сердечником с пятью ветвями используется вместо однофазного трансформатора. Однако, даже если используется сердечник с пятью ветвями, поскольку площади сечения сердечника четвертой и пятой ветвей, на которых не предусмотрены обмотки, являются ограниченными, существует опасение, что возникает магнитное насыщение, если управление предпринимается без учета магнитного насыщения. Публично не известен способ, чтобы управлять входным током, выходным напряжением и напряжением шины постоянного тока для каждой ячейки преобразователя, в то же время предотвращая магнитное насыщение, и, таким образом, существует опасение относительно надежности. Дополнительно, ветви, которые могут выводить двухуровневое напряжение, используются в ячейке преобразователя, существует недостаток в том, что выходное напряжение для каждой одной ячейки является низким, так что число ячеек преобразователя и число трансформаторов увеличивается.

[0009] Это изобретение было реализовано, чтобы разрешать задачи, которые описаны выше, и целью его является предоставление устройства преобразования мощности с высокой надежностью, небольшим размером, легким весом и низкой стоимостью и допускающего выполнение также операции рекуперации, при этом не требуя такого структурно сложного фазорегулирующего трансформатора и подавляя увеличение числа трансформаторов.

[0010] Устройство преобразования мощности согласно изобретению является устройством преобразования мощности, которое выполняет преобразование мощности между входными клеммами многофазного переменного тока и выходными клеммами многофазного переменного тока, содержащим:

устройство трансформатора напряжения, включающее в себя первичные обмотки, соединенные с входными клеммами, и вторичные обмотки, содержащие множества однофазных открытых обмоток, которые изолированы друг от друга; множество ячеек преобразователя, включающих в себя переключающие элементы, в которых их входные концы соединены с соответствующими однофазными открытыми обмотками, а их выходные концы соединены взаимно последовательным образом с выходной клеммой каждой фазы, каждая из упомянутых ячеек преобразователя выполняет преобразование между однофазным переменным током и другим однофазным переменным током; и управляющую схему для управления включением/выключением переключающих элементов.

Дополнительно, каждая из ячеек преобразователя содержит: последовательное соединение конденсаторов; преобразователь, который преобразует напряжение однофазного переменного тока от входных клемм в трех- или более уровневое напряжение постоянного тока и выводит его к последовательному соединению конденсаторов; и инвертор, который преобразует напряжение постоянного тока от последовательного соединения конденсаторов в однофазное напряжение переменного тока и выводит его на выходные концы.

[0011] Устройство преобразования мощности согласно изобретению конфигурируется, как описано выше, так что устройство трансформатора напряжения может быть сконфигурировано с помощью простой и легковесной структуры. Дополнительно, поскольку ячейке преобразователя предоставляется возможность улучшать форму волны напряжения и принимать высоковольтную спецификацию, возможно пресекать формирование гармонической составляющей и уменьшать требуемое число ячеек, чтобы, тем самым, получать устройство преобразования мощности с небольшим размером, легким весом и низкой стоимостью.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0012] Фиг. 1 - принципиальная схема, показывающая конфигурацию основной схемы устройства преобразования мощности согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг. 2 - схемы, каждая из которых показывает конфигурацию обмотки трансформатора согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 3 - принципиальные схемы, каждая из которых показывает конфигурацию основной схемы ячейки преобразователя согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 4 - чертеж, иллюстрирующий внутреннюю конфигурацию управляющей схемы согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 5 - блок-схема, показывающая блок управления входным током в управляющей схеме согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 6 - блок-схема, показывающая блок управления выходным напряжением в управляющей схеме согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 7 - блок-схема, показывающая блок управления средним напряжением в управляющей схеме согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 8 - блок-схема, показывающая блок управления межфазным балансом в управляющей схеме согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 9 - блок-схема, показывающая блок управления внутрифазным балансом в управляющей схеме согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 10 - блок-схемы, каждая из которых показывает блок управления балансом внутри ячейки согласно управляющей схеме в варианте осуществления 1.

Фиг. 11 - блок-схемы, каждая из которых показывает блок модуляции в управляющей схеме согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 12 - временная диаграмма, иллюстрирующая работу ШИМ-контроллера на стороне преобразователя согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 13 - временная диаграмма, иллюстрирующая работу ШИМ-контроллера на стороне инвертора согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 14 - временные диаграммы, каждая из которых иллюстрирует фазовое соотношение между треугольными несущими, используемыми в ШИМ-контроллере согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 15 - принципиальная схема, показывающая конфигурацию основной схемы устройства преобразования мощности согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг. 16 - схемы, каждая из которых показывает конфигурацию обмотки трансформатора согласно второму варианту осуществления.

Фиг. 17 - принципиальная схема, показывающая пример конфигурации схемы первого традиционного устройства преобразования мощности.

Фиг. 18 - это принципиальная схема, показывающая пример конфигурации схемы второго традиционного устройства преобразования мощности.

Фиг. 19 - принципиальная схема, показывающая пример конфигурации схемы третьего традиционного устройства преобразования мощности.

Фиг. 20 - принципиальная схема, показывающая ячейку преобразователя третьего традиционного устройства преобразования мощности.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Первый вариант осуществления

На фиг. 1 показан пример конфигурации основной схемы устройства преобразования мощности согласно первому варианту осуществления изобретения. Фиг. 1 показывает случай, когда источник 101 трехфазного напряжения соединен с входными клеммами R, S, T устройства преобразования мощности, и трехфазный электродвигатель 401 соединен с выходными клеммами U, V, W. Т.е., фиг. 1 показывает случай, когда устройство преобразования мощности согласно изобретению используется в качестве устройства возбуждения электродвигателя.

[0014] Основная схема устройства преобразования мощности согласно первому варианту осуществления изобретения сконфигурирована с использованием устройством трансформатора напряжения, содержащим множество трансформаторов 20n (n=1, 2, 3...), и множеством ячеек 30Xn преобразователя (X=U, V, W,..., n=1, 2, 3...). В этом изобретении каждый многофазный переменный ток (AC), приложенный к входным клеммам и выходным клеммам, не ограничен трехфазным переменным током. Изобретение из этой заявки также применимо к схеме, которая включает в себя, например, три двухфазных/двухфазных трансформатора и шесть ячеек преобразователя с тем, чтобы преобразовывать двухфазный переменный ток, протекающий через входные клеммы, в трехфазный переменный ток, и выводит его через выходные клеммы. Кроме того, число последовательно соединенных ячеек преобразователя не ограничено тремя.

Для примера на фиг. 1 первого варианта осуществления ниже будет приведено описание, предполагающее, что и источник 101 напряжения, и электродвигатель 401, имеют тип трехфазного переменного тока, и три трансформатора 201, 202, 203 и три ячейки преобразователя на каждую фазу, т.е., всего используется девять ячеек 30U1, 30U2, 30U3, 30V1, 30V2, 30V3, 30W1, 30W2, 30W3 преобразователя. Кроме того, управляющая схема 601, которая управляет включением/выключением переключающихся элементов в устройстве преобразования мощности, включена в него.

[0015] Фиг. 2a - это схема, показывающая пример конфигурации обмотки трансформатора 20n, подробная конфигурация которой показана на фиг. 2(b). Первичные обмотки трансформатора 20n имеют конфигурацию обмотки трехфазного соединения звездой (Y-соединения), соответствующие клеммы которого соединены с входными клеммами R, S, T устройства преобразования мощности. Отметим, что хотя соединение треугольником (Δ-соединение) может использоваться для первичных обмоток, если общая сумма напряжений, приложенных к вторичным обмоткам трансформатора 20n, не равна нулю, циркуляционный ток течет в соединении треугольником, чтобы, тем самым, увеличивать потерю. Таким образом, желательно, чтобы первичные обмотки имели соединение звездой, а не другое соединение.

[0016] Вторичные обмотки содержат множество однофазных открытых обмоток, которые изолированы друг от друга. Во вторичных обмотках напряжения, зависящие от коэффициента трансформации, формируются между Rs-Na, между Ss-Nb и между Ts-Nc, согласно напряжениям между клеммами R, S, T на первичной стороне и нейтральной точке N соединения звездой, т.е., напряжениям между R-N, между S-N и между T-N. Поскольку вторичные обмотки содержат открытые обмотки, один изолированный источник напряжения формируется для каждой вторичной обмотки. Таким образом, с целью формирования одного изолированного источника напряжения не требуется иметь три или более вторичных обмоток, как делает первое традиционное устройство преобразования мощности, показанное на фиг. 17.

[0017] Отметим, что с целью реализации блока 610 управления входным током, описанного позже, желательно, чтобы общая индуктивность рассеяния первичной обмотки и вторичной обмотки имела полное сопротивление в процентах, примерно равное 5% или более.

Управляемость тока, главным образом, связана с полным сопротивлением в процентах (индукционной составляющей на выходной стороне ячейки 30Xn преобразователя) и частотой переключения; чем выше становится любое из них, тем больше улучшается управляемость. Т.е., полное сопротивление в процентах становится важным фактором для того, чтобы определять управляемость тока. Принимая во внимание класс целевого напряжения/диапазон емкости (например, 6,6 кВ, 1 МВА), частота переключения, как правило, ограничивается до некоторой степени, и, таким образом, в качестве полного сопротивления в процентах подходит значение около 5-10%.

[0018] Между тем, в качестве сердечника трансформатора 20n используется сердечник с тремя или более ветвями. Когда обмотки намотаны вокруг соответствующих ветвей сердечника с тремя ветвями, если общее напряжение обмоток не равно нулю, существует риск возникновения магнитного насыщения. Таким образом, желательно использовать сердечник с четырьмя ветвями или пятью ветвями. Однако, поскольку эффективная площадь сечения дополнительной ветви (четвертой ветви или пятой ветви) является ограниченной, необходимо в управляющей схеме 601, описанной ниже, выполнять управление, учитывая отсутствие возникновения магнитного насыщения.

[0019] Подробная конфигурация основной схемы ячейки 30Xn преобразователя, показанной на фиг. 3(a), показана на фиг. 3(b). Ячейка 30Xn преобразователя имеет преобразователь 3a и инвертор 3b, каждый из которых имеет тип однофазного полного моста и имеет ветви, которые могут выводить напряжения трех уровней или более, и выполняет преобразование между однофазным переменным током и другим однофазным переменным током. DC-клеммы преобразователя 3a и DC-клеммы инвертора 3b соединены с последовательным соединением CP-CN конденсаторов, соответственно. Пример ячейки 30Xn преобразователя, показанный на фиг. 3, основан на схеме трехуровневого преобразователя типа диодного фиксатора уровня, в котором переключающие элементы SW со своими соответствующими обратными диодами FD, соединенными с ними встречно-параллельным образом, соединены в четыре последовательности и соединены с нейтральной точкой каждого фиксирующего диода CD.

[0020] Трехуровневый преобразователь с типом диодного фиксатора уровня использует четыре ветви. Среди этих четырех ветвей два ветви задействованы в качестве преобразователя 3a.

AC-клеммы IN1 и IN2 преобразователя 3a, которые являются входными концами ячейки 30Xn преобразователя, соединены с одной вторичной обмоткой трансформатора 20n, например, однофазной открытой обмоткой на фиг. 2, на ее обоих концах Rs и Na. Таким образом, соответствующие входные концы ячеек 30Xn преобразователя соединены взаимно параллельным образом с входной клеммой каждой фазы через трансформаторы 20n. Например, входные концы ячеек 30U1, 30U2, 30U3 преобразователя соединены взаимно параллельным образом с входной клеммой R-фазы через трансформаторы 201, 202, 203.

[0021] Другие два ветви задействованы в качестве инвертора 3b. Выходные клеммы OUT1 и OUT2 инвертора 3b, которые являются выходными концами ячейки 30Xn преобразователя, последовательно соединены с выходными клеммами других ячеек 30Xn преобразователя той же фазы, и три фазы соединены звездой, в то время как каждая фаза соединена с каждой из выходных клемм U, V, W устройства преобразования мощности. Таким образом, выходные концы ячейки 30Xn преобразователя соединены взаимно последовательным образом с выходной клеммой каждой фазы. Например, выходные концы ячеек 30U1, 30U2, 30U3 преобразователя соединены взаимно последовательным образом и соединены последовательно с выходной клеммой U-фазы.

Фаза выходной клеммы, с которой соединены выходные концы (3b-сторона инвертора) взаимно последовательно соединенной ячейки 30Xn преобразователя, является такой же, что и фаза входной клеммы, с которой соединены входные концы (3a-сторона преобразователя) упомянутой ячейки 30Xn преобразователя. Т.е., R-фаза на входной стороне является такой же, что и U-фаза на выходной стороне, S-фаза на входной стороне является такой же, что и V-фаза на выходной стороне, а T-фаза на входной стороне является такой же, что и W-фаза на выходной стороне.

[0022] С обоими концами ветвей соединено последовательное соединение CP-CN конденсаторов, которое является последовательным соединением конденсатора CP положительной стороны и конденсатора CN отрицательной стороны. Далее в данном документе, напряжение, приложенное между обоими концами последовательного соединения CP-CN конденсаторов, определено как напряжение шины постоянного тока, напряжение, приложенное к конденсатору CP положительной стороны, определяется как напряжение шины постоянного тока положительной стороны, а напряжение, приложенное к конденсатору CN отрицательной стороны, определено как напряжение шины постоянного тока отрицательной стороны.

[0023] Поскольку устройство преобразования мощности выполнено с конфигурацией схемы, которая описана выше, предоставляются следующие преимущества. Вследствие использования ячейки 30Xn преобразователя, являющейся самокоммутирующимся инвертором, возможно пресекать гармонический ток на входной стороне, управляя включением/выключением переключающих элементов SW на стороне преобразователя 3a. Таким образом, фазорегулирующий трансформатор, который является сложным по структуре, большим по размеру и имеет высокую стоимость, не нужен. Дополнительно, вследствие использования однофазных открытых обмоток в качестве вторичных обмоток трансформатора 20n, возможно устанавливать множество источников напряжения, изолированных по отношению друг к другу посредством меньшего числа обмоток. Кроме того, представляется возможным делать напряжение более высоким, используя ветви, которые могут выводить напряжения трех уровней в ячейке 30Xn преобразователя, так что число ячеек может быть уменьшено, и, кроме того, число вторичных обмоток трансформатора 20n может быть уменьшено.

[0024] В частности, вследствие использования ветвей, которые могут выводить напряжения трех уровней, обеспечивается преимущество в том, что число ячеек 30Xn преобразователя может быть уменьшено наполовину по сравнению со случаем использования ветви, которая может выводить напряжения двух уровней. Уменьшение наполовину числа ячеек 30Xn преобразователя создает половину требуемого числа изолированных источников мощности, так что число обмоток трансформаторов 20n может быть уменьшено наполовину. Кроме того, вследствие использования ветвей, которые могут выводить напряжения трех уровней, гармоническая составляющая в выходном напряжении или токе уменьшается. Это уменьшение гармонической составляющей обеспечивает дополнительное преимущество по конфигурации схемы изобретения. Это обусловлено тем, что потеря в трансформаторе 20n уменьшается, поскольку приложенное гармоническое напряжение или гармонический ток, протекающий через трансформатор 20n, уменьшается. Таким образом, представляется возможным добиваться дальнейшего снижения веса и размера трансформатора 20n, что вносит также в результате вклад в экономию энергии.

[0025] Между тем, недавно был реализован единый модуль, в котором хранится группа полупроводниковых элементов, которые включают в себя ветвь, которая может выводить напряжения трех уровней, т.е., ветвь, содержащую четыре переключающих элемента SW и обратные диоды FD и два фиксирующих диода CD. Таким образом, даже если применяется ветвь, которая может выводить напряжения трех уровней, возможно делать одну ячейку 30Xn преобразователя небольшой по размеру в отличие от ячейки в случае двух уровней. Т.е., возможно уменьшать объем, вес и стоимость устройства преобразования мощности в целом до степени, соответствующей уменьшенному числу ячеек 30Xn преобразователя.

[0026] Далее будет описана управляющая схема 601. Управляющая схема 601 имеет три основные цели, которыми являются: сделать ток, протекающий через входную клемму, более близким к идеальной синусоидальной волне (чтобы уменьшать гармонические волны); управлять электродвигателем 401, чтобы иметь предполагаемую скорость вращения или крутящий момент; и управлять напряжениями шины постоянного тока ячеек 30Xn преобразования, чтобы иметь правильные значения, чтобы, тем самым, предохранять полупроводниковые элементы от повреждения, вызванного избыточным напряжением. Используя обнаруженные значения тока, протекающего через входную клемму, или ячейку 30Xn преобразования устройства преобразования мощности, напряжение на входной клемме устройства преобразования мощности и/или напряжения шины постоянного тока ячеек преобразования (три напряжения из напряжения шины постоянного тока положительной стороны, напряжения шины постоянного тока отрицательной стороны и общего напряжения обоих из них), управляющая схема 601, в конечном счете, распространяет стробирующие сигналы для управления включением/выключением переключающих элементов SW ячейки 30Xn преобразователя.

[0027] Внутренняя конфигурация управляющей схемы 601 показана на фиг. 4. Управляющая схема 601 включает в себя четыре блока управления из блока 610 управления входным током, блока 620 управления выходным напряжением, блока 630 управления напряжением шины и блока 640 модуляции; дополнительно, блок 630 управления напряжением шины содержит блок 631 управления средним напряжением, блок 632 управления межфазным балансом, блок 633 управления внутрифазным балансом и блоком 634 управления балансом внутри ячейки.

[0028] Обработка, посредством блока 610 управления входным током, отражена в управлении на стороне преобразователя 3a, а обработка посредством блока 620 управления выходным напряжением отражена в управлении на стороне инвертора 3b. Дополнительно, в блоке 630 управления напряжением шины, обработка посредством блока 631 управления средним напряжением отражена в управлении на стороне преобразователя 3a, обработка посредством блока 632 управления межфазным балансом отражена в управлении на стороне инвертора 3b, а обработка посредством блока 633 управления внутрифазным балансом отражена в управлении на стороне инвертора 3b. Также, обработка посредством блока 634 управления балансом внутри ячейки отражена в управлении на обеих или на любой одной из стороны преобразователя 3a и стороны преобразователя 3b. Обработка посредством блока 640 модуляции, в конечном счете, отражена в управлении переключающими элементами SW на стороне преобразователя 3a и на стороне инвертора 3b.

[0029] Перед описанием подробностей управляющей схемы 601 определяются соответствующие параметры. Сначала, напряжения на входных клеммах R, S, T (напряжения источника мощности) определяются как Vr, Vs, Vt, а токи, протекающие через входные клеммы R, S, T, определяются как Ir, Is, It. Токи, протекающие во вторичной обмотке трансформаторов 20n, определяются как IRsn, ISsn, ITsn. Отметим, что "n" определено как n=1, 2, 3, соответствующее порядку трансформаторов 201, 202, 203. Напряжения шины постоянного тока в ячейках 30Xn преобразования определены как VdcXn, где "X" - это одно из U, V и W, а "n" - это одно из 1, 2 и 3.

[0030] Дополнительно, командные значения напряжения на стороне преобразователя 3a ячеек 30xn преобразователя определены как VCXn*, среди которых командные значения напряжения для переключающих элементов SW ветви, которая выводит напряжение на AC-клемму IN1 положительной стороны (далее в данном документе называемой ветвью положительной стороны), определены как VCXnP*, а командные значения напряжения для переключающих элементов SW ветви, которая выводит напряжение на AC-клемму IN2 (далее в данном документе называемой ветвью отрицательной стороны), определены как VCXnN* (см. фиг. 3(b)). Аналогично, командные значения напряжения на стороне инвертора 3b определены как VIXn*, среди которых командные значения напряжения для переключающих элементов SW ветви положительной стороны определены как VIXnP*, а командные значения напряжения для переключающих элементов SW ветви отрицательной стороны определены как VIXnN*.

[0031] Блок-схема управления, показывающая пример блока 610 управления входным током, показана на фиг. 5. Главная цель блока 610 управления входным током заключается в том, чтобы заставить токи IRsn, ISsn, ITsn, протекающие через входные клеммы R, S, T или во вторичной обмотке трансформаторов 20n, следовать их командным значениям тока.

Рассматривая три ячейки 30Xn преобразователя, соединенные с одним трансформатором 20n, как один набор, блок 610 управления входным током управляет ими независимо от другого набора.

[0032] Сначала обнаруживаются входные токи IRsn, ISsn, ITsn ячеек 30Xn преобразователя. dq-преобразователь 51 выполняет dq-преобразование с помощью фазы θ источника мощности по этим обнаруженным значениям, чтобы, тем самым, вырабатывать ток Idn d-оси и ток Iqn q-оси. В последующем, описание будет выполняться, предполагая случай, в котором, когда напряжения источника мощности находятся в трехфазном равновесии, ток d-оси соответствует реактивному току (реактивной мощности), а ток q-оси соответствует активному току (активной мощности). Отклонения между полученными токами Idn, Idq dq-оси и их соответствующие командные значения Idn*, Iqn* тока вычисляются и предоставляются соответствующим контроллерам Gc(s). Контроллеры Gc(s), к которым применимо пропорционально-интегральное (PI) регулирование или т.п., выполняют вычисление, чтобы делать отклонения нулевыми. Здесь, поскольку Idn* является командным значением, соответствующим реактивному току, оно дано как Idn*=0, так что коэффициент мощности становится приблизительно равным 1, тогда как, поскольку Iqn* соответствует активному току, он вырабатывается посредством блока 631 управления средним напряжением, описанного позже.

[0033] Между тем, напряжения Vr, Vs, Vt источника мощности dq-преобразуются посредством dq-преобразователя 52 и после этого умножаются на коэффициент TR трансформации трансформатора 20n, так что получаются напряжение Vds d-оси и напряжение Vqs q-оси из напряжений источника мощности. Затем, что касается выводов контроллеров Gc(s), напряжение Vds d-оси и напряжение Vqs q-оси из напряжений источника мощности принимаются во внимание в качестве величины прямой связи. Результирующие величины обратно dq-преобразуются посредством обратного dq-преобразователя 53, так что получаются командные значения VCUn*, VCVn*, VCWn* напряжения на стороне преобразователя 3a ячеек 30Xn преобразователя. Отметим, что, поскольку трансформатор 20n соединен со стороной преобразователя 3a, с целью предотвращения магнитного насыщения требуется не выводить к нему напряжение нулевой фазы. Вместо этого, магнитное насыщение может быть предотвращено посредством управления напряжением нулевой фазы, которое вырабатывается из общей суммы входных токов IRsn, ISsn, ITsn, чтобы быть нулевым.

[0034] Предшествующее является примером, и для того, чтобы не вызывать интерференции между токами d-оси и q-оси, возможно объединять публично известный способ, такой как неинтерференционное токовое управление. Также, используя PQ-преобразование вместо dq-преобразования, возможно выполнять управление, в то же время дифференцируя активную мощность P и реактивную мощность Q более точно.

[0035] Далее, блок-схема управления, показывающая пример блока 620 управления выходным напряжением, показана на фиг. 6. На фиг. 6, итоговые командные значения VIU*, VIV*, VIW* напряжения для соответствующих фаз на стороне инвертора 3b получаются посредством блока 61 формирования командного значения с помощью широко известного способа управления электродвигателем (например, постоянное V/f-управление, векторное управление, непосредственное управление крутящим моментом и т.д.). Дополнительно, составляющая Vz* напряжения нулевой фазы, имеющая трехкратную выходную частоту, добавляется к этим командным значениям напряжения, так что коэффициент использования напряжения улучшается.

Хотя подробности этого способа опущены здесь, поскольку сам способ хорошо известен, представлен способ, в котором общее напряжение Vz* нулевой фазы добавляется, так что амплитуда фрагмента с пиковым значением каждой фазы на стороне инвертора 3b делается меньшей. Посредством этого добавления, искажение возникает в форме волны напряжения; однако, искаженная форма волны существует благодаря напряжению нулевой фазы, и, таким образом, в случае подачи к нагрузке в трехфазной системе по трем линиям, только хорошо сформированная синусоидальная волна после удаления искаженного фрагмента формы волны, каждая, подается в качестве напряжения к нагрузке.

[0036] Отметим, что этот способ не применяется к стороне преобразователя 3a. Это обусловлено тем, что, поскольку трансформатор 20n соединен со стороной преобразователя 3a, в трансформаторе 20n появляется магнитный поток, который не позволяет трехфазным напряжениям становиться полностью нулевыми, когда они выводятся после добавления напряжения нулевой фазы, тем самым, вызывая недостаток в том, что требуется, чтобы четвертая ветвь или пятая ветвь сердечника в трансформаторе 20n была большей.

[0037] После этого, блок 620 управления выходным напряжением добавляет командное значение Vzb* напряжения нулевой фазы, определенное посредством блока 532 управления межфазным балансом, описанного позже, к командным значениям напряжения и затем делит их на число ячеек для каждой фазу (=3), чтобы, тем самым, выводить VIU**, VIV** и VIW** в качестве предварительно определенных значений для каждой ячейки на стороне инвертора 3b.

[0038] Блок 630 управления напряжением шины управляет напряжениями шины постоянного тока в каждой ячейке 30Xn преобразователя, чтобы они стали предварительно определенными напряжениями, посредством четырех блоков 631-634 управления, т.е., блока 631 управления средним напряжением, блока 632 управления межфазным балансом, блока 633 управления внутрифазным балансом и блоком 634 управления балансом внутри ячейки.

[0039] Блок-схема управления, показывающая пример блока 631 управления средним напряжением, показана на фиг. 7.

В блоке 631 управления средним напряжением среднее значение напряжений VdcUn, VdcVn, VdcWn шины постоянного тока в трех ячейках 30Xn преобразователя, соединенных с одним трансформатором 20n, т.е., среднее значение VdcAVGn по трем фазам U, V, W вычисляется посредством калькулятора 71 среднего значения.

Затем, командное значение Iqn* тока q-оси, которое соответствуют активной составляющей входного тока в первичных обмотках трансформатора 20n, определяется, так что среднее значение VdcAVGn вынуждено следовать предварительно определенному командному значению Vdc* шины. В частности, вычисляется отклонение между VdcAVGn и Vdc*, которое затем предоставляется контроллеру Gv(s), где вычисляется Iqn*. В качестве контроллера Gv(s) может быть использован PI-регулятор или т.п. Поскольку Iqn* - это ток, соответствующий активной мощности, представляется возможным заставлять VdcAVGn следовать Vdc*. Отметим, что, когда PQ-преобразование применяется к блоку 610 управления входным током, как описано выше, командное значение P* активной мощности регулируется.

[0040] Что касается соединений ячеек 30Xn преобразователя, взаимные ячейки 30Xn преобразователя, последовательно соединенные на стороне инвертора 3b, соединяются на стороне преобразователя 3a параллельно через трансформатор 20n, и каждые общие ячейки преобразователя соединяются взаимно последовательным и параллельным образом с одной и той же фазой. Блок 631 управления средним напряжением выполняет управление, в то же время рассматривая три ячейки 30xn преобразователя, соединенных с одним трансформатором 20n, как один набор. В результате, когда среднее значение напряжений VdcAVGn шины постоянного тока определено, колебания напряжения, которые появляются в соответствующих напряжениях шины постоянного тока, становятся нейтрализованными.

[0041] В целом, когда выводится однофазное напряжение, его выходное напряжение колеблется на его удвоенной частоте. Таким образом, напряжение шины постоянного тока также колеблется на удвоенной частоте. Поскольку напряжения VdcUn, VdcVn, VdcWn шины постоянного тока трех ячеек 30Xn преобразователя имеют свои соответствующие фазы колебаний, которые отличаются на 120° друг от друга, они нейтрализуются в трехфазном среднем значении VdcAVGn, так что составляющая колебания двойной частоты становится нулевой. Таким образом, представляется возможным реализовывать блок 631 управления средним напряжением более простым образом.

[0042] Далее, блок-схема управления, показывающая пример блока 632 управления межфазным балансом, показана на фиг. 8. Блок 632 управления межфазным балансом регулирует напряжение Vzb* нулевой фазы, которое перекрывает командное значение напряжения для каждой фазы на стороне инвертора 3b (см. фиг. 6), чтобы, таким образом, балансировать средние напряжения из напряжений шины постоянного тока в соответствующих фазах: VdcUAVG (среднее значение из VdcU1-VdcU3), VdcVAVG (среднее значение VdcV1-VdcV3) и VdcWAVG (среднее значение VdcW1-VdcW3), равномерно по отношению друг к другу.

[0043] В частности, средние напряжения VdcUAVG, VdcVAVG, VdcWAVG в соответствующих фазах вычисляются посредством соответствующих калькуляторов 81, и общее среднее напряжение VdcAVG дополнительно вычисляется посредством калькулятора 82. Затем, соответственно вычисляются отклонения между средними значениями VdcUAVG, VdcVAVG, VdcWAVG в соответствующих фазах и общее среднее значение VdcAVG, которые затем предоставляются контроллерам Gp(s) через каждый LPF (низкочастотный фильтр). Командное значение Vzb* напряжения нулевой фазы получается посредством вычисления произведений выходных значений контроллеров Gp(s) и командных значений VIU*, VIV*, VIW* напряжения на стороне инвертора 3b, соответственно для каждой фазы, за которым следует суммирование результатов. Предоставление обработки посредством LPF обусловлено, как описано выше, удалением частотной составляющей, которая появилась в напряжении шины постоянного тока и является удвоенной выходной частотой. Отметим, что в качестве контроллера Gp(s) может быть использован PI-регулятор или т.п.

[0044] Посредством управления таким образом, в случае операции снабжения мощностью электродвигателя, напряжение фазы, где среднее значение напряжений шины постоянного тока уменьшается, становится меньше, так что выходная мощность фазы становится меньше, и, таким образом, напряжения шины постоянного тока упомянутой фазы восстанавливаются. В результате, средние значения напряжения шины всех фаз балансируются друг с другом.

Отметим, что в случае операции рекуперации электродвигателя представляется возможность разрешать такой случай, переворачивая полярность контроллера Gp(s).

[0045] Далее, блок-схема управления, показывающая пример блока 633 управления внутрифазным балансом, показана на фиг. 9. Блок 633 внутрифазной балансировки регулирует совместно используемые выходные напряжения инверторов 3b в каждой фазе, чтобы, тем самым, балансировать напряжения шины постоянного тока в фазе равномерно друг другу. В частности, соответственно вычисляются отклонения между соответствующими напряжениями VdcX1-VdcX3 шины постоянного тока в фазе и средним значением VdcXAVG напряжения шины в фазе, которые затем предоставляются контроллерам Gb(s). Результаты эквивалентны откорректированному соотношению совместно используемых выходных напряжений, так что диапазоны регулировки вырабатываются посредством умножения их, соответственно, на командное значение VIX** напряжения, предварительно определенное посредством блока 620 управления выходным напряжением (см. фиг. 6). Посредством добавления диапазонов регулировки к VIX** вырабатываются конечные командные значения VIX1*, VIX2*, VIX3* напряжения.

[0046] Посредством управления, как описано выше, в случае операции снабжения мощностью электродвигателя, выходное напряжение инвертора 3b в ячейке 30Xn преобразователя, напряжение шины постоянного тока которой является относительно небольшим, становится меньше, так что выходная мощность может сдерживаться. В результате, напряжения шины постоянного тока в фазе могут быть сбалансированы друг с другом.

Отметим, что в случае операции рекуперации электродвигателя представляется возможность разрешать такой случай, переворачивая полярность контроллера Gb(s).

[0047] Далее, пример блока 634 управления внутри ячейки показан на фиг. 10. Блок 634 управления балансом внутри ячейки служит для балансировки напряжения шины постоянного тока положительной стороны и напряжения шины постоянного тока отрицательной стороны равномерно друг другу, регулируя соотношение напряжений в ветви положительной стороны и ветви отрицательной стороны. Это управление может быть реализовано посредством отражения его на любой одной или обеих из стороны преобразователя 3a и стороны инвертора 3b.

[0048] Сначала, будет дано описание относительно стороны преобразователя 3a согласно фиг. 10(a). Посредством умножения командного значения VCXn* напряжения преобразователя 3a на 1/2, вычисляется командное значение VXnP* ветви положительной стороны, которое дополнительно умножается на -1, так что вычисляется командное значение VxnN* напряжения ветви отрицательной стороны. Дополнительно, вычисляется отклонение между напряжением VdcXnN шины постоянного тока отрицательной стороны, которое является напряжением, которое должно быть приложено к конденсатору CN отрицательной стороны, и напряжением VdcXnP шины постоянного тока положительной стороны, которое является напряжением, которое должно быть приложено к конденсатору CP положительной стороны, которое затем предоставляется контроллеру Gcz(s), так что вычисляется VXnCz*. После этого, VXnCz* добавляется к соответствующим командным значениям VXnP*, VXnN* напряжения, соответственно, так что вычисляются окончательное командное значение VCXnP* напряжения положительной ветви и окончательное командное значение VCXnN* напряжения отрицательной ветви.

[0049] Посредством управления, как описано выше, в случае операции снабжения мощностью электродвигателя (в состоянии, когда мощность вводится в преобразователь 3a), командное значение напряжения на низковольтной стороне конденсатора увеличивается, тем самым, делая возможным балансировку напряжений шины постоянного тока на положительной стороне и на отрицательной стороне.

Отметим, что в случае операции рекуперации электродвигателя представляется возможность разрешать такой случай, переворачивая полярность контроллера Gcz(s).

[0050] Что касается стороны инвертора 3b, показанной на фиг. 10(b), основной принцип является таким же. Однако, в случае операции снабжения мощностью электродвигателя, поскольку инвертор 3b выводит мощность, окончательные командные значения VIXnP*, VIXnN* напряжения вычисляются вычитанием VXnIZ*, вычисленного контроллером Giz(s), из соответствующих командных значений напряжения положительной ветви и отрицательной ветви. В случае операции рекуперации электродвигателя, этот случай также может быть разрешен за счет переворачивания полярности контроллера Giz(s).

[0051] Наконец, блок 640 модуляции будет описан ниже. Фиг. 11 показывает пример управления посредством блока 640 модуляции; в частности, фиг. 11(a) показывает управление для стороны преобразователя 3a, а фиг. 11(b) показывает управление для стороны инвертора 3b. Блок 640 модуляции выполняет широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) на основе командных значений VCXnP*, VCXnN* напряжения на стороне преобразователя 3a и командных значений VIXnP*, VIXnN* напряжения на стороне инвертора 3b, которые были выработаны вышеупомянутыми соответствующими блоками 610-630 управления, чтобы, тем самым вырабатывать стробирующие сигналы для управления включением/выключением соответствующих переключающих элементов SW.

В частности, блок модуляции предоставляет соответствующие командные значения напряжения ШИМ-преобразователю 801 (на стороне преобразователя 3a) или ШИМ-преобразователю 802 (на стороне 3b инвертора) и дополнительно применяет обработку времени запаздывания соответственно к результатам, так что они имеют задержки на своих передних фронтах, чтобы, тем самым, выводить стробирующие сигналы для управления включением/выключением соответствующих переключающих элементов SW.

[0052] При рассмотрении одной ветви в трехуровневой схеме преобразования, в качестве ее средства модуляции, существуют различные широко известные примеры, и средство модуляции специально не ограничено изобретением. Блок 640 модуляции предназначен для того, чтобы: заставлять моменты переключения не перекрываться между ветвью положительной стороны и ветвью отрицательной стороны настолько, насколько возможно; заставлять моменты переключения не перекрываться между преобразователями 3a, соединенными параллельно через трансформаторы 20n, настолько, насколько возможно; и заставлять соответствующие моменты переключения не перекрываться между последовательно соединенными инверторами 3b; чтобы, таким образом, добиваться входного тока и/или выходного напряжения с небольшой гармонической составляющей.

[0053] В последующем, будет выполнено описание, ссылающееся на приведенный в качестве примера случай, когда модуляция выполняется для каждой одной ветви с помощью набора двух треугольных несущих для вывода положительного напряжения и вывода отрицательного напряжения на основе фиг. 12 и фиг. 13. Фиг. 12 показывает управление на стороне преобразователя 3a, а фиг. 13 показывает управление на стороне инвертора 3b.

Что касается ветви на стороне преобразователя 3a, как показано на фиг. 12, треугольные несущие CarCPn, CarCNn сравниваются с командным значением VCXnP* напряжения ветви положительной стороны и командным значением VCXnN* напряжения ветви отрицательной стороны, соответственно. Две треугольные несущие CarCPn, CarCNn имеют одинаковую фазу, амплитуда треугольной несущей CarCPn для вывода положительного напряжения соответствует напряжению на концах конденсатора CP положительной стороны рассматриваемой ячейки 30Xn преобразователя, а амплитуда треугольной несущей CarCNn для вывода отрицательного напряжения соответствует напряжению на концах конденсатора CN отрицательной стороны.

[0054] Стробирующие сигналы для соответствующих четырех переключающих элементов SW ветви положительной стороны на стороне преобразователя 3a определены как GXnCP1, GXnCP2, GXnCP3 и GXnCP4, в порядке от переключающего элемента SW на стороне положительной DC-клеммы. Дополнительно, стробирующие сигналы для соответствующих четырех переключающих элементов SW ветви отрицательной стороны определены как GXnCN1, GXnCN2, GXnCN3 и GXnCN4, в порядке от переключающего элемента SW на стороне положительной DC-клеммы.

Стробирующие сигналы GXnCP1, GXnCP3 определяются из соотношения абсолютных величин между треугольной несущей CarCPn для вывода положительного напряжения и командным значением VCXnP* напряжения ветви положительной стороны.

Стробирующие сигналы GXnCP2, GXnCP4 определяются из соотношения абсолютных величин между треугольной несущей CarCNn для вывода отрицательного напряжения и командным значением VCXnP* напряжения ветви положительной стороны. Стробирующие сигналы GXnCN1, GXnCN3 определяются из соотношения абсолютных величин между треугольной несущей CarCPn для вывода положительного напряжения и командным значением VCXnN* напряжения ветви отрицательной стороны. Стробирующие сигналы GXnCN2, GXnCN4 определяются из соотношения абсолютных величин между треугольной несущей CarCNn для вывода отрицательного напряжения и командным значением VCXnN* напряжения ветви отрицательной стороны.

[0055] Когда командное значение напряжения больше, чем треугольная несущая, переключающий элемент SW положительной стороны включается, а переключающий элемент SW отрицательной стороны выключается, тогда как в обратном случае соотношения величин операция включения/выключения реверсируется. Наконец, обработка времени задержки применяется к соответствующим стробирующим сигналам с тем, чтобы иметь задержки на их передних фронтах, так что определяются окончательные стробирующие сигналы. Вследствие широкой известности обработка времени задержки опущена из описания.

[0056] Аналогично, что касается ветви на стороне инвертора 3b, как показано на фиг. 13, треугольные несущие CarIPn, CarINn сравниваются с командным значением VIXnP* напряжения ветви положительной стороны и командным значением VIXnN* напряжения ветви отрицательной стороны, соответственно. Две треугольные несущие CarIPn, CarINn имеют одинаковую фазу, амплитуда треугольной несущей CarIPn для вывода положительного напряжения соответствует напряжению на концах конденсатора CP положительной стороны рассматриваемой ячейки 30Xn преобразователя, а амплитуда треугольной несущей CarINn для вывода отрицательного напряжения соответствует напряжению на концах конденсатора CN отрицательной стороны.

[0057] Отметим, что на фиг. 13 причина искажения формы волны командных значений VIXnP* и VIXnN* напряжений от синусоидальной волны обусловлена добавлением составляющей Vz* напряжения нулевой фазы в блоке 620 управления выходным напряжением, описанным на фиг. 6.

[0058] Стробирующие сигналы для соответствующих четырех переключающих элементов SW ветви положительной стороны на стороне инвертора 3b определены как GXnIP1, GXnIP2, GXnIP3 и GXnIP4, в порядке от переключающего элемента SW на стороне положительной DC-клеммы. Дополнительно, стробирующие сигналы для соответствующих четырех переключающих элементов SW ветви отрицательной стороны определены как GXnIN1, GXnIN2, GXnIN3 и GXnIN4, в порядке от переключающего элемента SW на стороне положительной DC-клеммы.

Стробирующие сигналы GXnIP1, GXnIP3 определяются из соотношения абсолютных величин между треугольной несущей CarIPn для вывода положительного напряжения и командным значением VIXnP* напряжения ветви положительной стороны.

Стробирующие сигналы GXnIP2, GXnIP4 определяются из соотношения абсолютных величин между треугольной несущей CarINn для вывода отрицательного напряжения и командным значением VIXnP* напряжения ветви положительной стороны. Стробирующие сигналы GXnIN1, GXnIN3 определяются из соотношения абсолютных величин между треугольной несущей CarIPn для вывода положительного напряжения и командным значением VIXnN* напряжения ветви отрицательной стороны. Стробирующие сигналы GXnIN2, GXnIN4 определяются из соотношения абсолютных величин между треугольной несущей CarINn для вывода отрицательного напряжения и командным значением VIXnN* напряжения ветви отрицательной стороны.

[0059] Когда командное значение напряжения больше, чем треугольная несущая, переключающий элемент SW положительной стороны включается, а переключающий элемент SW отрицательной стороны выключается, тогда как в обратном случае соотношения величин операция включения/выключения реверсируется. Наконец, применяется обработка времени задержки, чтобы, тем самым, определять конечные стробирующие сигналы.

[0060] В блоке 640 модуляции фазовое соотношение между несущими в виде последовательных треугольных импульсов является важным. В выводе напряжения из одной ветви гармоническая составляющая рядом с несущей частотой является доминирующей. При фокусировке на одном преобразователе 3a или инвертере 3b соответствующие командные значения напряжения ветви положительной стороны и ветви отрицательной стороны находятся в близком к обратному соотношении (значение отрицательной стороны вычисляется посредством умножения на "-1"), и, таким образом, компоненты несущей частоты эквивалентно нейтрализуются между ними, так что гармоническая составляющая, имеющая почти вдвое большую частоту, чем несущая частота, становится доминирующей.

[0061] Дополнительно, в качестве каждой из двух треугольных несущих для вывода положительного напряжения и вывода отрицательного напряжения может быть использовано множество треугольных несущих, фазы которых сдвинуты друг к другу, описание которых выполнено на основе фиг. 14 следующим образом. Фиг. 14(a) показывает управление на стороне преобразователя 3a, а фиг. 14(b) показывает управление на стороне инвертора 3b.

Что касается стороны преобразователя 3a, посредством треугольных несущих CarCP1, CarCP2, CarCP3 (CarCN1, CarCn2, CarCN3), фазы которых сдвинуты друг к другу на 60 градусов (π/3 рад), как показано на фиг. 14(a), возможно нейтрализовать гармоническую составляющую, включенную во входной ток и имеющую почти вдвое большую частоту, чем частота несущей. Это, в конечном счете, приводит к тому, что такая гармоническая составляющая становится доминантой, которая имеет почти K1-кратную частоту (K1=число ветвей х мультиплексированное параллельное число, в этом случае, 2×3=6) по отношению к частоте несущей. Таким образом, гармоническая составляющая низшего порядка, имеющая большую амплитуду, может быть нейтрализована, и, следовательно, возможно добиваться входного тока с небольшой гармонической составляющей.

Дополнительно, поскольку оставшаяся гармоническая составляющая имеет почти шестикратную частоту по отношению к частоте несущей, которая является гораздо более высокой частотой, она легко устранима посредством добавления небольших фильтров на входных клеммах или стороне преобразователя 3a ячейки 30Xn преобразователя.

[0062] С другой стороны, что касается стороны инвертора 3b, посредством треугольных несущих CarIP1, CarIP2, CarIP3 (CarIN1, CarIN2, CarIN3), фазы которых сдвинуты друг к другу на 60 градусов (π/3 радиан), как показано на фиг. 14(b), возможно нейтрализовать гармоническую составляющую, включенную в выходное напряжение и имеющую почти двухкратную частоту по отношению к частоте несущей. Это, в конечном счете, приводит к тому, что такая гармоническая составляющая становится доминантой, которая имеет почти K2-кратную частоту (K2 = число ветвей х последовательно мультиплексированное число, в этом случае, 2×3=6) по отношению к частоте несущей. Таким образом, гармоническая составляющая низшего порядка, имеющая большую амплитуду, может быть нейтрализована, и, следовательно, возможно добиваться выходного напряжения с небольшой гармонической составляющей.

Дополнительно, поскольку предусмотрены последовательные соединения на стороне инвертора 3b, сдвигая моменты переключения, возможно увеличивать уровни выходного напряжения согласно числу потенциалов, которые имеют конденсаторы.

[0063] Как описано выше, используя устройство преобразования мощности согласно изобретению, традиционный фазорегулирующий трансформатор, который является сложным по структуре, становится ненужным. Дополнительно, конфигурируя ячейку 30Xn преобразователя, чтобы она была трех- или более уровневым преобразователем, возможно уменьшать число ячеек 30Xn преобразователя и число обмоток в трансформаторе 20n, чтобы, тем самым, добиваться уменьшения размера, экономии веса и уменьшения стоимости. Дополнительно, вследствие использования самокоммутирующегося преобразователя в качестве ячейки 30Xn преобразователя предоставляется возможность операции рекуперации. Кроме того, за счет управляющей схемы 601 магнитное насыщение трансформатора 20n пресекается, так что напряжение шины постоянного тока в ячейке 30Xn преобразователя управляется правильным образом, чтобы, тем самым, повышать надежность.

[0064] Второй вариант осуществления

Пример конфигурации основной схемы устройства преобразования мощности согласно второму варианту осуществления изобретения показан на фиг. 15. На фиг. 15 устройство трансформатора напряжения отличается от устройства трансформатора напряжения (трансформаторов 20n), показанного на фиг. 1 первого варианта осуществления.

Фиг. 16(a) является схемой, показывающей пример конфигурации монтажной схемы трансформатора 211 в качестве устройства трансформатора напряжения согласно второму варианту осуществления, подробная конфигурация которого показана на фиг. 16(b).

[0065] Аналогично первому варианту осуществления первичные обмотки трансформатора 211 имеют конфигурацию обмотки трехфазного соединения звездой (Y-соединения). Предусматриваются вторичные обмотки, содержащие множество обмоток (три здесь) на каждую фазу первичной обмотки, чтобы, тем самым, иметь конфигурацию, соответствующую конфигурации, собирающей трансформаторы 201, 202, 203 в один трансформатор 211. Вторичные обмотки содержат три однофазных открытых обмотки на каждую фазу, так что посредством одного трансформатора 211 создаются источники мощности, содержащие всего девять однофазных открытых обмоток, изолированных друг от друга.

[0066] Собирая, таким образом, три трансформатора в один, чтобы, тем самым, конфигурировать устройство трансформатора напряжения посредством одного трансформатора 211, возможно добиваться дополнительного уменьшения в размере, весе и стоимости устройства преобразования напряжения. Дополнительно, вследствие использования открытых обмоток в качестве вторичных обмоток, за счет сбора трансформаторов проявляется больший эффект. Т.е., улучшается гибкость для комбинирования управления. В варианте осуществления 1, что касается каждого набора ячеек 30Xn преобразователя, соединенных с одним трансформатором 20n (например, набора из 30U1, 30V1, 30W1), используется блок 610 управления входным током. В отличие от этого, за счет сбора в один трансформатор 211, улучшается гибкость для комбинирования управления; например, появляется возможность управлять ячейками 30U1, 30V2, 30W3 преобразователя как одним набором. Таким образом, используя такую гибкость, становится возможным получать оптимальную конструкцию, принимая во внимание изоляцию между линиями управления и/или сигналами управления и т.п.

[0067] Отметим, что, аналогично первому варианту осуществления, сердечник с тремя или более ветвями имеет возможность использоваться в качестве сердечника трансформатора, и желательно, чтобы индуктивность рассеивания была задана около 5% или более.

Между тем, в вариантах осуществления 1 и 2, хотя индуктивность рассеивания трансформатора считается равной приблизительно 5%, может быть введен дополнительный дроссель. Он может быть введен в первичной обмотке трансформатора или введен в его вторичной обмотке. Посредством дополнительного добавления конденсатора LC-фильтр может быть введен в первичную обмотку или вторичную обмотку. Добавляя, таким образом, дроссель или LC-фильтр, возможно дополнительно уменьшать гармоническую составляющую во входном токе.

[0068] Дополнительно, в вариантах осуществления 1 и 2 предполагается, что IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) используется в качестве переключающего элемента SW; однако, может быть использован другой тип переключающего элемента SW, такой как MOSFET (полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник) или т.п.

[0069] Между тем, хотя кремний, как правило, используется в качестве материала полупроводникового элемента, составляющего переключающий элемент SW и диоды FD, CD, когда используется материал с широкой запрещенной зоной, такой как карбид кремния, материал из семейства нитрида галлия или алмаз, запрещенная зона которого является более широкой, чем у кремния, возможно увеличивать напряжение пробоя полупроводникового элемента, так что число вышеупомянутых ячеек 30Xn преобразователя может быть дополнительно уменьшено. Это дополнительно повышает скорость переключения, и, таким образом, возможно добиваться входного тока или выходного напряжения с гораздо меньшей гармонической составляющей. Вышеупомянутые результаты достигаются посредством применения материала с широкой запрещенной зоной к любому одному из переключающего элемента SW и диодов FD, CD, или к обоим этим полупроводниковым элементам. Дополнительно, результаты достигаются посредством применения материала к любому одному или обоим из преобразователя 3a и инвертора 3b ячейки 30Xn преобразователя.

[0070] Следует отметить, что неограниченное комбинирование соответствующих вариантов осуществления, любая модификация вариантов осуществления и любое опущение в вариантах осуществления могут быть выполнены подходящим образом в настоящем изобретении без отступления от рамок изобретения.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам преобразования электрической энергии переменного тока в переменный ток. Устройство преобразования мощности содержит трансформаторы, снабженные первичными обмотками, соединенными с входными клеммами, и вторичными обмотками, включающими в себя множества однофазных открытых обмоток, которые изолированы друг от друга; множество ячеек преобразователя, соединенных с вторичными обмотками трансформаторов; и управляющую схему включения/выключения переключающих элементов, при этом входы ячеек преобразователя, выполненных с промежуточными звеньями постоянного тока, соединены взаимно параллельным образом с соответствующими однофазными открытыми обмотками, а выходы соединены взаимно последовательно с выходными клеммами каждой фазы. Технический результат состоит в трех и более уровневое преобразование электрической энергии по мощности, напряжению и частоте. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Устройство преобразования мощности, которое выполняет преобразование мощности между входными клеммами многофазного переменного тока и выходными клеммами многофазного переменного тока, содержащее:
устройство трансформатора напряжения, включающее в себя первичные обмотки, соединенные с входными клеммами, и вторичные обмотки, содержащие множество однофазных открытых обмоток, которые изолированы друг от друга;
множество ячеек преобразователя, включающих в себя переключающие элементы, в которых их входные концы соединены с соответствующими однофазными открытыми обмотками, причем соответствующие входные концы соединены взаимно параллельным образом с входной клеммой каждой фазы через устройство преобразования напряжения, а их выходные концы соединены взаимно последовательным образом с выходной клеммой каждой фазы, причем каждая из упомянутых ячеек преобразователя выполняет преобразование между одним однофазным переменным током и другим однофазным переменным током; и
управляющую схему для управления включением/выключением переключающих элементов;
при этом каждая из ячеек преобразователя содержит: последовательное соединение конденсаторов; преобразователь, который преобразует напряжение однофазного переменного тока от входных концов в трех- или более уровневое напряжение постоянного тока и выводит его на последовательное соединение конденсаторов; и инвертор, который преобразует напряжение постоянного тока от последовательного соединения конденсаторов в однофазное напряжение переменного тока и выводит его на выходные концы.

2. Устройство преобразования мощности по п. 1, при этом управляющая схема содержит блок управления напряжением шины, который управляет напряжением шины постоянного тока, которое является напряжением последовательного соединения конденсаторов в каждой из ячеек преобразователя, чтобы иметь предварительно определенное командное значение напряжения шины.

3. Устройство преобразования мощности по п. 2, в котором блок управления напряжением шины содержит блок управления средним напряжением, который управляет средним значением напряжений шины постоянного тока ячеек преобразователя, соединенных с взаимно различными фазами выходных клемм, и блок управления средним напряжением управляет активной составляющей входного тока первичных обмоток устройства трансформатора напряжения, так что среднее значение становится командным значением напряжения шины.

4. Устройство преобразования мощности по п. 2, в котором блок управления напряжением шины содержит блок управления межфазным балансом, который обеспечивает баланс между напряжениями шины постоянного тока ячеек преобразователя, соединенных с взаимно различными фазами выходных клемм, и блок управления межфазным балансом управляет командными значениями напряжения инверторов в ячейках преобразователя так, что множество напряжений шины постоянного тока равномерно сбалансированы друг с другом.

5. Устройство преобразования мощности по п. 2, в котором блок управления напряжением шины содержит блок управления внутрифазным балансом, который обеспечивает баланс между напряжениями шины постоянного тока множества ячеек преобразователя, соединенных взаимно последовательным образом в каждой фазе выходных клемм, и блок управления внутрифазным балансом управляет командными значениями напряжения инверторов во множестве ячеек преобразователя так, что множество напряжений шины постоянного тока равномерно сбалансированы друг с другом.

6. Устройство преобразования мощности по п. 2, в котором последовательное соединение конденсаторов сконфигурировано с помощью конденсатора положительной стороны и конденсатора отрицательной стороны, которые последовательно соединены друг с другом, и напряжение шины постоянного тока ячейки преобразования установлено посредством напряжения шины постоянного тока положительной стороны, приложенного к конденсатору положительной стороны, и напряжения шины постоянного тока отрицательной стороны, приложенного к конденсатору отрицательной стороны; и
при этом блок управления напряжением шины содержит блок управления балансом внутри ячейки, который обеспечивает баланс между напряжением шины постоянного тока положительной стороны и напряжением шины постоянного тока отрицательной стороны в каждой из ячеек преобразователя, и блок управления балансом внутри ячейки управляет командными значениями напряжения переключающих элементов, которые составляют по меньшей мере один из преобразователя и инвертора, так что напряжение шины постоянного тока положительной стороны и напряжение шины постоянного тока отрицательной стороны равномерно сбалансированы друг с другом.

7. Устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-6, в котором управляющая схема управляет моментами переключения переключающих элементов, которые составляют по меньшей мере один из преобразователя и инвертора в каждом из множества ячеек преобразователя, соединенных взаимно последовательным образом в каждой фазе выходных клемм, чтобы смещаться между множеством ячеек преобразователя так, чтобы уменьшать гармоническую составляющую, которая содержится, по меньшей мере, в одном из входного тока к входным клеммам и выходного напряжения с выходных клемм.

8. Устройство преобразования мощности по п. 7, в котором управляющая схема содержит блок модуляции, который выполняет ШИМ-управление с помощью несущего сигнала, и блок модуляции управляет моментами переключения переключающих элементов, чтобы смещать множество ячеек преобразователя, смещая фазу несущего сигнала во множестве ячеек преобразователя.

9. Устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-6, в котором устройство трансформатора напряжения сконфигурировано посредством множества трансформаторов, соответствующие из первичных обмоток которых соединены параллельно с входными клеммами.

10. Устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-6, в котором устройство трансформатора напряжения сконфигурировано посредством единого трансформатора, включающего в себя вторичные обмотки, множество которых дано для каждой из первичных обмоток в одной фазе.

11. Устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-6, в котором числа фаз многофазного переменного тока входных клемм и многофазного переменного тока выходных клемм равны друг другу, и
при этом входные концы множества ячеек преобразователя, выходные концы которых соединены взаимно последовательным образом с выходной клеммой, соединены взаимно параллельным образом, через устройство трансформатора напряжения, с входной клеммой, фаза которой является такой же, что и фаза выходной клеммы, с которой соединены упомянутые входные концы.

12. Устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-6, в котором многофазный переменный ток является трехфазным током, а первичные обмотки устройства трансформатора напряжения предусмотрены в трехфазном соединении звездой.

13. Устройство преобразования мощности по п. 12, в котором сердечник устройства трансформатора напряжения сконфигурирован с помощью сердечника с четырьмя или более ветвями.

14. Устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-6, в котором группа полупроводниковых элементов, включающих в себя переключающие элементы и диоды, которые составляют по меньшей мере один из преобразователя и инвертора в каждой из ячеек преобразователя, сконфигурирована с возможностью хранения в едином модуле.

15. Устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-6, в котором по меньшей мере один из переключающих элементов и диодов, которые составляют по меньшей мере одну из схем преобразователя и инвертора в каждой из ячеек преобразователя, сформированы из полупроводникового материала с широкой запрещенной зоной, который шире в запрещенной зоне, чем кремний.

16. Устройство преобразования мощности по п. 15, при этом полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной является карбидом кремния, материалом из семейства нитридов галлия или алмазом.

17. Устройство преобразования мощности, которое выполняет преобразование мощности между входными клеммами многофазного переменного тока и выходными клеммами многофазного переменного тока, содержащее:
устройство трансформатора напряжения, включающее в себя первичные обмотки, соединенные с входными клеммами, и вторичные обмотки, содержащие множество однофазных открытых обмоток, которые изолированы друг от друга;
множество ячеек преобразователя, включающих в себя переключающие элементы, в которых их входные концы соединены с соответствующими однофазными открытыми обмотками, причем соответствующие входные концы соединены взаимно параллельным образом с входной клеммой каждой фазы через устройство преобразования напряжения, а их выходные концы соединены взаимно последовательным образом с выходной клеммой каждой фазы, причем каждая из упомянутых ячеек преобразователя выполняет преобразование между одним однофазным переменным током и другим однофазным переменным током;
при этом каждая из ячеек преобразователя содержит: последовательное соединение конденсаторов; преобразователь, который преобразует напряжение однофазного переменного тока от входных концов в трех- или более уровневое напряжение постоянного тока и выводит его на последовательное соединение конденсаторов; и инвертор, который преобразует напряжение постоянного тока от последовательного соединения конденсаторов в однофазное напряжение переменного тока и выводит его на выходные концы,
управляющую схему для управления включением/выключением переключающих элементов, которая содержит блок управления напряжением шины, который управляет напряжением шины постоянного тока, которое является напряжением последовательного соединения конденсаторов в каждой из ячеек преобразователя, чтобы иметь предварительно определенное командное значение напряжения шины;
при этом блок управления напряжением шины содержит блок управления межфазным балансом, который обеспечивает баланс между напряжениями шины постоянного тока ячеек преобразователя, соединенных с взаимно различными фазами выходных клемм, и блок управления межфазным балансом управляет командными значениями напряжения инверторов в ячейках преобразователя так, что множество напряжений шины постоянного тока равномерно сбалансированы друг с другом.

18. Устройство преобразования мощности, которое выполняет преобразование мощности между входными клеммами многофазного переменного тока и выходными клеммами многофазного переменного тока, содержащее:
устройство трансформатора напряжения, включающее в себя первичные обмотки, соединенные с входными клеммами, и вторичные обмотки, содержащие множество однофазных открытых обмоток, которые изолированы друг от друга;
множество ячеек преобразователя, включающих в себя переключающие элементы, в которых их входные концы соединены с соответствующими однофазными открытыми обмотками, причем соответствующие входные концы соединены взаимно параллельным образом с входной клеммой каждой фазы через устройство преобразования напряжения, а их выходные концы соединены взаимно последовательным образом с выходной клеммой каждой фазы, причем каждая из упомянутых ячеек преобразователя выполняет преобразование между одним однофазным переменным током и другим однофазным переменным током;
при этом каждая из ячеек преобразователя содержит: последовательное соединение конденсаторов; преобразователь, который преобразует напряжение однофазного переменного тока от входных концов в трех- или более уровневое напряжение постоянного тока и выводит его на последовательное соединение конденсаторов; и инвертор, который преобразует напряжение постоянного тока от последовательного соединения конденсаторов в однофазное напряжение переменного тока и выводит его на выходные концы,
управляющую схему для управления включением/выключением переключающих элементов, которая содержит блок управления напряжением шины, который управляет напряжением шины постоянного тока, которое является напряжением последовательного соединения конденсаторов в каждой из ячеек преобразователя, чтобы иметь предварительно определенное командное значение напряжения шины;
при этом блок управления напряжением шины содержит блок управления внутрифазным балансом, который обеспечивает баланс между напряжениями шины постоянного тока множества ячеек преобразователя, соединенных взаимно последовательным образом в каждой фазе выходных клемм, и блок управления внутрифазным балансом управляет командными значениями напряжения инверторов во множестве ячеек преобразователя так, что множество напряжений шины постоянного тока равномерно сбалансированы друг с другом.