УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЦИРКУЛИРУЮЩИМ ТОКОМ В СИСТЕМЕ ИНВЕРТОРОВ Российский патент 2017 года по МПК H02M7/48 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Преобразователи энергии используются в системах электрического питания воздушных судов, а также в системах питания других устройств. Электроэнергетические системы на современных гражданских воздушных судах изначально снабжены источниками трехфазного питания переменного тока (АС) на 115 В или 230 В с частотой 400 Гц. Система питания может содержать один или большее количество альтернативных источников питания постоянного тока (DC) с низким напряжением, таких как батарея топливных элементов или батарея, которая подает входное питание на систему преобразования энергии с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Многофазные выходные напряжения, такие как трехфазные напряжения, могут быть поданы в систему распределения электрической энергии воздушного судна, которая подает электрическую энергию в следующую за ней систему распределения. Указанная последней система распределения может содержать нагрузки различных типов, включая, без ограничения, трехфазную, однофазную или другую систему преобразования с нагрузками постоянного тока (DC) и т.д.

Однако многие преобразователи энергии не полностью оптимизированы для применения на воздушных судах. Такие преобразователи энергии могут быть выполнены большими и тяжелыми, что увеличивает вес воздушного судна и ограничивает объем, доступный для других компонентов самолета. Для решения данной проблемы, преобразователи энергии могут содержать параллельно включенные инверторы или инверторы с чередующимся режимом работы. Путем использования параллельно включенных инверторов или инверторов с чередующимся режимом работы, системы преобразования могут достигнуть более высокой мощности с одновременным использованием более низкоуровневых устройств, что обеспечивает достижение более высокой эффективности, высокой плотности энергии (измеряемой в кВт/кг), а также сохранение веса и объема. Кроме того, преобразователи с чередующимся режимом работы улучшают уменьшение гармоник по сравнению с преобразователями без чередующегося режима работы. Однако, такие системы преобразователей могут генерировать циркулирующий ток, который может ухудшать технические характеристики или вызывать нарушения в работе, и даже повреждать оборудование пользователя, соединенное с шиной питания.

В преобразователях энергии, применяющих параллельно включенные инверторы или инверторы с чередующимся режимом работы, выходы инвертора могут быть соединены с индуктивными компонентами для ограничения циркулирующего тока. Однако, индуктивные компоненты не очень хорошо работают при низкочастотном циркулирующем токе. Низкочастотные циркулирующие токи могут вызвать насыщение сердечников индуктивных компонентов. Насыщение сердечников может уменьшить производительность преобразователя энергии, а также вывести из строя систему преобразования.

Кроме того, при разработке преобразователя энергии, большие индуктивности намагничивания могут быть необходимы для уменьшения потерь в сердечнике и лучшего ограничения высокочастотных циркулирующих токов. Однако, это может потребовать продвинутого и точного знания системных параметров, которые делают процесс разработки сложным и времязатратным. Например, сложность конструкции управляющей системы может быть вызвана уменьшением запаса в отношении потока заданного магнитного сердечника, когда необходима большая индуктивность намагничивания.

Кроме того, существуют по меньшей мере две проблемы, связанные с системами преобразования энергии. Они могут подвергаться уменьшению производительности при использовании с высоко динамическими нагрузками. Кроме того, процесс проектирования может быть сложным и времязатратным.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложена система преобразования энергии, которая выдает многофазное питание, имеющее фазные напряжения для каждой фазы многофазного питания. Система содержит множество инверторов, которые генерируют выходные напряжения ШИМ на основании управляющих ШИМ-сигналов. Множество индуктивных компонентов выполнены с возможностью приема выходных напряжений ШИМ для генерирования фазных напряжений. Выходные напряжения ШИМ вызывают протекание потоков циркулирующих токов во множестве индуктивных компонентов. Обеспечено применение управляющего устройства для управления напряжением, которое выполнено с возможностью реагирования на фазные напряжения для генерирования модулирующих сигналов напряжения, соответствующих фазным напряжениям. Множество каналов перераспределения тока связано соответственно с каждым из множества индуктивных компонентов и выполнено с возможностью генерирования модулирующих сигналов перераспределения тока в ответ на потоки циркулирующих токов. Обеспечено генерирование управляющих ШИМ-сигналов на основании модулирующих сигналов, полученных путем объединения модулирующих сигналов перераспределения тока и модулирующих сигналов напряжения.

Кроме того, предложена система преобразования энергии, выполненная с возможностью подачи многофазного питания, имеющего фазное напряжение, связанное соответственно с каждой фазой многофазного питания, причем система преобразования энергии содержит: множество инверторов, выполненных с возможностью генерирования выходных напряжений ШИМ для каждого фазного напряжения в ответ на управляющие ШИМ-сигналы, множество индуктивных компонентов, выполненных с возможностью приема выходных напряжений ШИМ для генерирования фазных напряжений, причем выходные напряжения ШИМ приводят к протеканию множества потоков циркулирующих токов в указанном множестве индуктивных компонентов, управляющее устройство для управления напряжением, выполненное с возможностью реагирования на генерирование модулирующих сигналов напряжения для каждого фазного напряжения, множество каналов перераспределения тока, связанных соответственно с каждым из указанного множества индуктивных компонентов и выполненных с возможностью генерирования модулирующих сигналов перераспределения тока в ответ на указанное множество потоков циркулирующих токов, и схему опорной несущей частоты, выполненную с возможностью генерирования управляющих ШИМ-сигналов в ответ на модулирующие сигналы, получение которых обеспечено путем объединения модулирующих сигналов перераспределения тока и модулирующих сигналов напряжения.

Индуктивные компоненты могут представлять собой множество межкомпонентных трансформаторов (inter-cell transformer).

Индуктивные компоненты могут представлять собой множество элементов индуктивности.

Множество инверторов может содержать первый и второй инверторы. Первый и второй инверторы могут генерировать чередующиеся трехфазные выходные напряжения ШИМ.

Множество межкомпонентных трансформаторов (inter-cell transformer) может быть выполнено с возможностью выдачи трехфазных напряжений питания с использованием чередующихся трехфазных выходных напряжений ШИМ от первого и второго инверторов.

Каждый из первого и второго инверторов может дополнительно выдавать напряжение нейтральной фазы.

Система преобразования энергии может дополнительно содержать измерительную схему для измерения тока, содержащую множество датчиков тока, выполненных с возможностью выдачи сигналов циркулирующего тока на каналы перераспределения тока для каждого из множества индуктивных компонентов.

Каналы перераспределения тока могут содержать резонансное управляющее устройство для управления основной частотой, имеющей среднюю частоту, близкую к основной частоте фазных напряжений.

Каналы перераспределения тока могут иметь преобразование частотной характеристики, в целом соответствующее:

причем

ω_l задает среднюю частоту низкочастотного фильтра, ω_f задает среднюю частоту фильтра основной частоты, Δω_l задает ширину полосы пропускания низкочастотного фильтра, Δω_f задает ширину полосы пропускания фильтра основной частоты, К_l0 и К_f0 задают соответственно амплитуды полос пропускания низкочастотного фильтра и фильтра основной частоты, К_l и K_f задают соответственно максимальные коэффициенты усиления низкочастотного фильтра и фильтра основной частоты, а С_ph(s) представляет собой компенсатор фазовой задержки, обеспечивающий фазовую компенсацию около основной частоты.

Система преобразования энергии может дополнительно содержать источник питания постоянного тока (DC), выполненный с возможностью подачи входного питания на множество инверторов, которые совместно используют общую шину постоянного тока (DC).

Кроме того, предложена управляющая система для системы преобразования энергии, содержащая: управляющее устройство для управления напряжением, выполненное с возможностью реагирования на сигналы трехфазного напряжения для генерирования соответствующих модулирующих сигналов напряжения, каналы перераспределения тока, выполненные с возможностью реагирования на множество циркулирующих токов от множества индуктивных компонентов, которые связаны с соответствующими фазами сигналов трехфазного напряжения, причем каналы перераспределения тока генерируют модулирующие сигналы перераспределения тока, связанные соответственно с каждой фазой сигналов трехфазного напряжения, с использованием указанного множества циркулирующих токов от указанного множества индуктивных компонентов, и множество схем объединения, каждая из которых связана с фазой сигналов трехфазного напряжения, причем указанные схемы объединения объединяют модулирующие сигналы напряжения и модулирующие сигналы перераспределения тока, связанные соответственно с каждой фазой сигналов трехфазного напряжения, для генерирования управляющих ШИМ-сигналов.

Каналы перераспределения тока могут быть выполнены с возможностью приема циркулирующих токов от множества межкомпонентных трансформаторов.

Каналы перераспределения тока могут быть выполнены с возможностью приема циркулирующих токов от множества элементов индуктивности.

Каналы перераспределения тока могут содержать резонансное управляющее устройство для управления частотой, имеющие среднюю частоту, близкую к основной частоте каждой фазы сигналов трехфазного напряжения.

Каждый канал перераспределения тока может иметь преобразование частотной характеристики, в целом соответствующее:

причем

ω_l задает среднюю частоту низкочастотного фильтра, ω_f задает среднюю частоту фильтра основной частоты, Δω_l задает ширину полосы пропускания низкочастотного фильтра, Δω_f задает ширину полосы пропускания фильтра основной частоты, К_l0 и К_f0 задают соответственно амплитуды полос пропускания низкочастотного фильтра и фильтра основной частоты, К_l и K_f задают соответственно максимальные коэффициенты усиления низкочастотного фильтра и фильтра основной частоты, а C_ph(s) представляет собой компенсатор фазовой задержки, обеспечивающий фазовую компенсацию вокруг основной частоты.

Кроме того, предложена система преобразования энергии, выполненная с возможностью подачи многофазного питания, имеющее фазное напряжение, связанное соответственно с каждой фазой многофазного питания, причем система преобразования энергии содержит: управляющую схему с ШИМ, множество инверторов, имеющих входы, соединенные с управляющей схемой с ШИМ, множество индуктивных компонентов, соединенных с выходами по напряжению ШИМ множества инверторов, множество выходных контактов для подачи энергии, соединенных с выходами указанного множества индуктивных компонентов, множество датчиков тока, соединенных с указанным множеством индуктивных компонентов, управляющее устройство для управления напряжением, соединенное с указанным множеством индуктивных компонентов, систему перераспределения тока, соединенную с указанным множеством датчиков тока, объединяющую схему, соединенную с выходами управляющего устройства для управления напряжением и выходами системы перераспределения тока, и управляющую схему, соединенную с объединяющей схемой.

Множество индуктивных компонентов может содержать межкомпонентные трансформаторы (inter-cell transformer).

Множество индуктивных компонентов может содержать элементы индуктивности.

Множество датчиков тока может быть соединено с межкомпонентными трансформаторами для выдачи сигналов, соответствующих удвоенному циркулирующему току, протекающему через каждый из этих межкомпонентных трансформаторов.

Система перераспределения тока может содержать множество управляющих устройств для управления перераспределением тока, расположенных парами, причем каждая пара из указанного множества управляющих устройств соединена с соответствующим датчиком тока.

Каждое управляющее устройство для управления перераспределением тока из каждой пары управляющих устройств для управления перераспределением тока может содержать резонансное управляющее устройство, имеющее среднюю частоту, близкую к основной частоте напряжений на множестве контактов для подачи энергии.

Система преобразования энергии может дополнительно содержать источник питания постоянного тока (DC), соединенный с множеством инверторов, которые соединены с общей шиной постоянного тока (DC).

Кроме того, предложен способ управления многофазной системой преобразования энергии, включающий: генерирование модулирующих сигналов напряжения в ответ на напряжение каждой фазы многофазного питания, регистрацию циркулирующих токов, протекающих во множестве межкомпонентных трансформаторов, каждый из которых связан с соответствующим фазовым напряжением, применение управляющего устройства к зарегистрированным циркулирующим токам в соответствии с генерированием модулирующих сигналов перераспределения тока, соответствующих циркулирующим токам, и объединение модулирующих сигналов напряжения и модулирующих сигналов перераспределения тока для генерирования управляющих ШИМ-сигналов.

Применение управляющего устройства могут включать применение резонансного управляющего устройства на средней частоте, близкой к основной частоте каждой фазы многофазного напряжения.

Применение управляющего устройства могут включать применение управляющего устройства, имеющего частотную характеристику преобразования, в целом соответствующую:

причем

ω_l задает среднюю частоту низкочастотного фильтра, ω_f задает среднюю частоту фильтра основной частоты, Δω_l задает ширину полосы пропускания низкочастотного фильтра, Δω_f задает ширину полосы пропускания фильтра основной частоты, К_l0 и К_f0 задают соответственно амплитуды полос пропускания низкочастотного фильтра и фильтра основной частоты, К_l и K_f задают соответственно максимальные коэффициенты усиления низкочастотного фильтра и фильтра основной частоты, а С_ph(s) представляет собой компенсатор фазовой задержки, обеспечивающий фазовую компенсацию вокруг основной частоты.

Признаки, функции и преимущества, которые были описаны, могут быть реализованы независимо друг от друга в различных вариантах реализации или могут быть объединены в еще одних вариантах реализации, дополнительные сведения о которых можно получить при ознакомлении с приведенными далее описанием и чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 показана структурная схема системы преобразования энергии, которая использует межкомпонентные трансформаторы в качестве индуктивных компонентов.

На фиг. 2 показан один способ, согласно которому межкомпонентные трансформаторы по фиг. 1 могут быть соединены в системе преобразования энергии.

На фиг. 3 показана управляющая система для управления напряжением, которая может быть использована в системе преобразования энергии по фиг. 1.

На фиг. 4 показан один способ выполнения разложения последовательностей.

На фиг. 5 показан алгоритм, обеспечивающий выполнение разложения последовательностей, показанного на фиг. 4.

На фиг. 6 показаны каналы перераспределения тока, которые могут быть использованы в системе преобразования энергии по фиг. 1.

На фиг. 7а-7с показаны диаграммы Боде для одного примера управляющего устройства для управления перераспределением тока.

На фиг. 8 показана система преобразования энергии, в которой в процессоре цифровых сигналов (DSP) выполняют различные операции обработки сигналов.

На фиг. 9 показан способ управления системой преобразования энергии.

На фиг. 10а-10b показаны иллюстративные графики сигналов, связанные с напряжениями системы преобразования энергии, которая не реализует управляющую систему типа, показанного и описанного в соответствии одной или большим количеством фигур из фиг. 1-9.

На фиг. 11a-11b показаны иллюстративные графики сигналов, связанные с напряжениями системы преобразования энергии, имеющей управляющую систему типа, показанного и описанного согласно одной из большему количеству из фиг. 1-9.

На фиг. 12 показана блок-схема, иллюстрирующая как система преобразования энергии может быть применена в контексте конструкции и работы воздушного судна.

На фиг. 13 показана структурная схема, иллюстрирующая воздушное судно, которое применяет систему преобразования энергии.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 показана структурная схема системы 100 преобразования энергии. Система 100 преобразования энергии содержит управляющий блок 105 для управления питанием и управляющую систему 110. Система 100 преобразования энергии подает многофазное питание на нагрузку 115. Несмотря на то, что приведенные далее варианты реализации описаны в контексте системы трехфазных инверторов, которая подает три напряжения, фазированных приблизительно на 120° друг от друга, варианты реализации могут быть расширены до систем инверторов, имеющих более трех фаз или менее трех фаз.

Иллюстративный управляющий блок для управления энергией

Управляющий блок 105 для управления энергией содержит множество инверторов, каждый из которых имеет множество выходных напряжений ШИМ. Количество выходных напряжений ШИМ, выданных каждым инвертором, по меньшей мере также велико, как и количество фаз, используемых для управления нагрузкой 115.

В иллюстративной системе 100 преобразования энергии по фиг. 1, управляющий блок 105 для управления энергией содержит первый инвертор 120 и второй инвертор 125, которые принимают питание постоянного тока (DC) от источника 127 постоянного тока (DC). Первый инвертор 120 и второй инвертор 125 совместно используют общую шину постоянного тока (DC) источника 127 постоянного тока (DC).

Первый инвертор 120 выдает первое выходное напряжение ШИМ V_inva1, второе выходное напряжение ШИМ V_invb1 и третье выходное напряжение ШИМ V_invc1. Аналогичным образом, второй инвертор 125 выдает первое выходное напряжение ШИМ V_inva2, второе выходное напряжение ШИМ V_invb2 и третье выходное напряжение ШИМ V_invc2. Выходные напряжения ШИМ являются чередующимися.

Система преобразования энергии 100 примера выполнена в качестве четырехвыводной системы. Поэтому, каждый из первого инвертора 120 и второго инвертора 125 имеет нулевые выходные напряжения ШИМ. Еще конкретнее, первый инвертор 120 выдает первое нейтральное выходное напряжение V_invn1 ШИМ, а второй инвертор 125 выдает второе нейтральное выходное напряжение V_invn2 ШИМ. Такие трехфазные, 4-выводные инверторы могут быть использованы для поддержания необходимой синусоидальной формы сигнала выходного напряжения в отношении каждого фазного выходного сигнала на всем необходимом диапазоне условий нагружения и импульсных помех. Система преобразования энергии 100 не обязательно должна быть выполнена в качестве такой 4-выводной системы, однако будет рассмотрена в контексте такой архитектуры.

Управляющий блок 105 для управления энергией также содержит множество индуктивных компонентов. Индуктивные компоненты могут быть выполнены в форме элементов индуктивности или межкомпонентных трансформаторов (inter-cell transformer). Для целей описания иллюстративной системы 100 преобразования энергии, межкомпонентные трансформаторы используют в качестве индуктивных компонентов. Однако, межкомпонентные трансформаторы по фиг. 1 могут быть заменены элементами индуктивности в зависимости от технологических параметров системы.

На фиг. 1 первый межкомпонентный трансформатор 175 соединен с возможностью приема первого выходного напряжения V_inva1 ШИМ от первого инвертора 120 и первого выходного напряжения V_inva2 ШИМ от второго инвертора 125. Второй межкомпонентный трансформатор 180 соединен с возможностью приема второго выходного напряжения V_invb1 ШИМ и второго выходного напряжения V_invb2 ШИМ. Третий межкомпонентный трансформатор 185 соединен с возможностью приема третьего выходного напряжения V_invc1 с ШИМ и третьего выходного напряжения V_invc2 ШИМ. Четвертый межкомпонентный трансформатор 190 соединен с возможностью приема нейтрального выходного напряжения V_invn1 ШИМ и нейтрального выходного напряжения V_invn2 ШИМ.

На фиг. 2 показан способ, согласно которому межкомпонентные трансформаторы могут быть соединены с управляющим блоком 105 для управления энергией. Как показано, выходные контакты первого инвертора 120 и второго инвертора 125 соединены с соответствующими выходами первого межкомпонентного трансформатора 175, второго межкомпонентного трансформатора 180, третьего межкомпонентного трансформатора 185 и четвертого межкомпонентного трансформатора 190. Пунктирные точки межкомпонентных трансформаторов показывают конфигурацию соединения трансформаторных обмоток. Межкомпонентные трансформаторы данного примера выполнены в качестве элементов индуктивности противофазного сигнала. В то время, как индуктивность намагничивания используют для ограничения циркулирующего тока, индуктивность рассеяния используют в качестве индуктивности для выходного LC-фильтра, связанного соответственно с каждой фазой напряжения. Когда межкомпонентные трансформаторы используют сердечник с высокой магнитной проницаемостью, получают высокую индуктивность намагничивания. Таким образом, могут быть достигнуты малый циркулирующий ток и высокая эффективность.

Согласно фиг. 1, параллельная работа инверторов 120 и 125 приводит к наличию циркулирующих токов в каждом межкомпонентном трансформаторе. В примере, циркулирующий ток через первый межкомпонентный трансформатор 175 представляет собой разность токов (Ia1-Ia2) между контактом, проводящим первое выходное напряжение V_inva1 ШИМ, и контактом, проводящим первое выходное напряжение V_inva2 ШИМ. Циркулирующий ток через второй межкомпонентный трансформатор 180 представляет собой разность токов (Ib1-Ib2) между контактом, проводящим второе выходное напряжение V_invb1 ШИМ, и контактом, проводящим второе выходное напряжение V_invb2 ШИМ. Циркулирующий ток через третий межкомпонентный трансформатор 185 представляет собой разность токов (Ic1-Ic2) между контактом, проводящим третье выходное напряжение V_invc1 ШИМ, и контактом, проводящим третье выходное напряжение V_invc2 ШИМ. Циркулирующий ток через четвертый межкомпонентный трансформатор 190 представляет собой разницу (In1-In2) между контактом, проводящим нейтральное выходное напряжение V_invn1 ШИМ, и контактом, проводящим нейтральное выходное напряжение V_invn2 ШИМ.

Выходные сигналы межкомпонентных трансформаторов выданы на измерительную схему 195 для измерения тока. Несмотря на то, что измерительная схема 195 для измерения тока показана на выходах межкомпонентных трансформаторов, в альтернативном варианте она может быть размещена для контроля тока на входах межкомпонентных трансформаторов.

Измерительная схема 195 для измерения тока может содержать множество датчиков тока, каждый из которых соответственно связан с фазой напряжения. В настоящем изобретении каждый межкомпонентный трансформатор содержит два выходных контакта. Два выходных контакта каждого межкомпонентного трансформатора соединены с датчиком тока на эффекте Холла до соединен посредством датчика тока на эффекте Холла в противоположных направлениях в узлах, соединенных для подачи многофазного питания на нагрузку. Таким образом, достигают разности токов или циркулирующего тока между двумя выходными токами от каждого межкомпонентного трансформатора.

На фиг. 1 и фиг. 2 первый датчик 200 тока соединен с выходными контактами первого межкомпонентного трансформатора 175, причем напряжение VA питания первой фазы подано на нагрузку 115 в узле 205. Второй датчик 210 тока соединен с выходными контактами второго межкомпонентного трансформатора 180, причем напряжение VB питания второй фазы подано на нагрузку 115 в узле 215. Третий датчик 220 тока соединен с выходными контактами третьего межкомпонентного трансформатора 185, причем напряжение VC питания третьей фазы подано на нагрузку 115 в узле 225. Четвертый датчик 230 тока соединен с выходным контактом четвертого межкомпонентного трансформатора 190, причем напряжение Vn нейтральной фазы подано на нагрузку 115 в узле 235. Таким образом, трехфазные напряжения питания (VA, VB, VC) выданы на нагрузку 115.

Межкомпонентные трансформаторы ослабляют высокочастотный циркулирующий ток. Низкочастотный циркулирующий ток проходит через каждый межкомпонентный трансформатор и измерен посредством измерительной схемы 195 для измерения тока для управления низкочастотными циркулирующими токами.

Конденсатор соединен с каждым узлом, проводящим напряжения на нагрузку 115. Соответствующий конденсатор для каждой фазы источника питания и индуктивность соответствующего межкомпонентного трансформатора могут быть использованы в качестве фильтра для фазы источника питания. На фиг. 2 первый конденсатор 240 соединен с узлом 205 и формирует фильтр с индуктивностью рассеяния первого межкомпонентного трансформатора 175 и четвертого межкомпонентного трансформатора 190 для фильтрации выходного напряжения VA фазы. Второй конденсатор 245 соединен с узлом 215 и формирует фильтр с индуктивностью рассеяния второго межкомпонентного трансформатора 180 и четвертого межкомпонентного трансформатора 190 для фильтрации выходного напряжения VB фазы. Третий конденсатор 250 соединен с узлом 225 и формирует фильтр с индуктивностью рассеяния третьего межкомпонентного трансформатора 185 и четвертого межкомпонентного трансформатора 190 для фильтрации выходного напряжения VA фазы.

Управляющий блок 105 для управления энергией может также содержать измерительную схему 263 для измерения напряжения. Как показано на фиг. 2, измерительная схема 263 для измерения напряжения содержит множество делителей напряжения, включенных параллельно конденсаторам 240, 245 и 250 для контроля амплитуд напряжений VA, VB и VC питания по отношению к Vn. Сигналы разделенного напряжения подают на управляющую систему 110 для управления питанием. В данном примере, делитель напряжения содержит резисторы, включенные параллельно каждому конденсатору.

Управляющий блок 105 для управления энергией может содержать низкочастотные фильтры, связанные соответственно с измерительной схемой 195 для измерения тока и измерительной схемой 263 для измерения напряжения. В примере по фиг. 1 низкочастотные фильтры 300, соединены для приема сигналов от измерительной схемы 195 для измерения тока по измерительной шине 305 для измерения тока. Низкочастотные фильтры 310 принимают напряжения от измерительной схемы 263 для измерения напряжения и подают выходные напряжения Van, Vbn и Vcn по измерительной шине 315 для измерения напряжения.

УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА

Согласно фиг. 1, управляющая система 110 соединена с возможностью приема сигналов напряжения Van, Vbn и Vcn на измерительной шине 315 для измерения напряжения для подачи на управляющую систему 325 для управления напряжением. Управляющая система 110 также соединена с возможностью приема сигналов от измерительной схемы 195 для измерения тока для подачи на множество каналов 330 перераспределения тока. Выходные сигналы каналов 330 перераспределения тока и выходные сигналы управляющей системы 325 для управления напряжением выданы на множество сумматоров 340. Выходные сигналы сумматоров 340 представляют собой модулирующие сигналы, которые получают путем объединения модулирующих сигналов перераспределения тока, сгенерированных каналом 330 перераспределения тока, с модулирующими сигналами напряжения, сгенерированными управляющей системой 325 для управления напряжением. Эти модулирующие сигналы подают для сравнения с сигналами опорной несущей частоты в схеме 345 опорной несущей частоты и схеме 350 опорной несущей частоты. Схема 345 опорной несущей частоты генерирует управляющие ШИМ-сигналы 355 на генераторы 360 стробирующих импульсов, которые выдают сигналы 365 управления затвором на первый инвертор 120. Аналогичным образом, схема 350 опорной несущей частоты генерирует управляющие ШИМ-сигналы 370 на генераторы 360 стробирующих импульсов, которые выдают сигналы 375 управления затвором на второй инвертор 125.

Иллюстративная управляющая система для управления напряжением

Иллюстративная управляющая система 325 для управления напряжением показана на фиг. 3. В данном примере сигналы напряжений Van, Vbn и Vcn подают на аналого-цифровой преобразователь 398, который преобразовывает принятые сигналы напряжения в цифровые сигналы va, vb и vc на шине 327 для цифровых сигналов. Цифровые сигналы на шине 327 для цифровых сигналов подают на устройство 400 для разложения последовательностей. Сигналы, сгенерированные устройством 400 для разложения последовательностей, выдают на вход abc-dq преобразователя 405. Аbс-dq преобразователь 405 преобразует цифровые сигналы на своих входах в цифровые сигналы, которыми можно оперировать в системе координат dq. Такие операции в данном примере выполняют посредством управляющего устройства 410 для управления напряжением, который принимает dq сигналы от abc-dq преобразователя 405. Управляющее устройство 410 для управления напряжением выполняет операции в отношении dq сигналов от abc-dq преобразователя 405 для генерирования соответствующих выходных dq сигналов на dq-abc преобразователь 415. Определитель 420 модулирующих сигналов напряжения работает с abc сигналами от dq-abc преобразователя 415 для генерирования соответствующих модулирующих сигналов напряжения Vam, Vbm, Vcm и Vnm на шине 425 для цифровых сигналов.

Иллюстративное разложение последовательности

Как отмечено, цифровые сигналы напряжения на шине 327 для цифровых сигналов разложены в прямую, обратную и нулевую последовательности посредством устройства 400 для разложения на последовательности. Если нагрузка 115 не сбалансирована, то трехфазное напряжение и ток могут генерировать колебания в системе координат dq. Соответственно, это может быть необходимо для разложения несбалансированного напряжения и/или тока на три симметричные трехфазные системы. Обычный пример того, как это может быть выполнено в любой обычной трехфазной системе, показан посредством приведенных далее формул:

причем представляет собой вектор положительной последовательности для трехфазного напряжения и/или выходного тока, представляет собой вектор отрицательной последовательности, апредставляет собой вектор нулевой последовательности. Вектор соответствует трехфазному вектору напряжения и/или трехфазному вектору тока.

Прямая, обратная и нулевая последовательности могут быть получены с использованием следующих формул:

причем a=e^j2π/3.

предполагаем, что затем Данное разложение последовательности показано в графической форме на фиг. 4 и применимо к системе 100 преобразования энергии.

Для получения формы вектора напряжения и/или тока, мнимая часть вектора получена путем выполнения четверти задержки основного цикла в отношении сигналов трехфазного напряжения и/или тока во временной области. На фиг. 5 показан блок-схема, иллюстрирующая одну реализацию такого алгоритма разложения последовательности, обеспечивающего возможность выполнения вышеописанной математической операции.

Пример abc-dq преобразований

Преобразование типа прямая квадратура-ноль (dq) представляет собой математическое преобразование, используемое для упрощения анализа трехфазных схем. При сбалансированных трехфазных схемах, применение dq преобразования приводит три величины переменного тока (АС) к двум величинам постоянного тока (DC). Упрощенные расчеты могут быть выполнены в отношении этих мнимых величин постоянного тока (DC) до выполнения обратного преобразования для восстановления модифицированных результатов трехфазного переменного тока (АС). Поэтому операции dq преобразования могут упрощать расчеты, выполняемые управляющей системой 325 для управления напряжением.

Один пример dq преобразования, которое применено к трехфазному напряжению, показан далее в матричной форме:

Данное преобразование выполняют посредством abc-dq преобразователя 405 в отношении принятых напряжений. Обратное преобразование выполняют посредством dq-abc преобразователя 415. Обратное преобразование представляет собой следующее:

Иллюстративное управляющее устройство для управления напряжением

Управляющее устройство 410 для управления напряжением может выполнять пропорционально-интегральные (PI) операции над dq сигналами, принятыми от abc-dq преобразователя 405. Для этого управляющее устройство 410 для управления напряжением может содержать пропорционально-интегральное (PI) управляющее устройство, имеющее следующую частотную характеристику:

В конкретных применениях, пропорционально-интегральное (PI) управляющее устройство может быть модифицировано для удовлетворения требованиям стабильности системы и динамическим характеристикам. Таким образом, может быть использовано "двухполюсное управляющее устройство", имеющее два полюса. В частности, двухполюсное управляющее устройство может иметь следующую частотную характеристику:

Такое двухполюсное управляющее устройство может обеспечить более широкую полосу пропускания и более высокую амплитуду и/или запас по фазе для управляющего устройства 410 для управления напряжением по сравнению с пропорциально-интегральным (PI) управляющим устройством в первом примере.

В данном двухполюсном управляющем устройстве ω_ν2 выбрана ниже пиковой частоты по амплитудной диаграмме Боде для системы управления напряжением для обеспечения интенсивного затухания, что гарантирует высокий запас по амплитуде для системы. Значение для ω_ν1 выбрано для получения необходимого запаса по фазе управляющей системы для управления напряжением (60 градусов в трехфазной системе, описанной в настоящей заявке), a K_v выбран в качестве компромисса между надежностью системы и полосой пропускания (скорость ответа). Значения К_р и К_i определяют коэффициент усиления и ноль передаточной функции. Коэффициент усиления выбран в качестве компромисса между надежностью системы и полосой пропускания (скорость ответа). Ноль выбран для получения необходимого запаса по фазе.

Пример канала перераспределения тока

Пример канала 330 перераспределения тока показан на фиг. 6. Как показано, четыре цифровых сигнала дифференциального циркулирующего тока приняты на отдельных линиях шины 413. Каждый дифференциальный циркулирующий ток связан соответственно с каждым межкомпонентным трансформатором и подан на соответствующий канал 330 перераспределения тока. Для простоты, описан только канал 330 перераспределения тока, связанный с циркулирующим током (Ia1-Ia2) первого межкомпонентного трансформатора 175. Оставшиеся каналы 330 перераспределения тока, связанные со вторым межкомпонентным трансформатором 180, третьим межкомпонентным трансформатором 185 и четвертым межкомпонентным трансформатором 190, имеют ту же самую конструкцию. Два или большее количество каналов 330 перераспределения тока для различных фаз напряжения могут работать параллельно в целом совместно друг с другом.

Цифровые сигналы на шине 413, соответствующей сигналам циркулирующего тока (Ia1-Ia2), выданы на вход первого усилителя 430 и вход второго усилителя 435. Первый усилитель 430 усиливает сигналы циркулирующего тока на коэффициент, составляющий - 0,5, а второй усилитель 435 усиливает сигналы циркулирующего тока на коэффициент, составляющий +0,5. Выходной сигнал первого усилителя 430 выдают на вход первого управляющего устройства 440 для управления перераспределением тока, а выходной сигнал второго усилителя 435 выдают на вход второго управляющего устройства 445 для управления перераспределением тока. Выходной сигнал 450 первого управляющего устройства 440 для управления перераспределением тока выдают на вход первого сумматора 455, а выходной сигнал 460 второго управляющего устройства 445 для управления перераспределением тока выдают на вход второго сумматора 465. Сигнал на выходе 450 соответствует модулирующему сигналу тока, который сгенерирован управляющим устройством 440 для управления перераспределением тока. Сигнал на выходе 460 соответствует модулирующему сигналу тока, который сгенерирован вторым управляющим устройством 445 для управления перераспределением тока. Усилители 430 и 435 располагают модулирующие сигналы тока в разных фазах по отношению друг к другу.

Кроме модулирующих сигналов тока, каждый канал 330 перераспределения тока принимает соответствующий модулирующий сигнал напряжения для заданной фазы трехфазного напряжения от шины 425. В отношении циркулирующего тока (Ia1-Ia2) первого межкомпонентного трансформатора 175, соответствующий модулирующий сигнал напряжения Vam подают на вход первого сумматора 455 и на вход второго сумматора 465. Первый сумматор 455 выдает первый модулирующий сигнал на выходе 470, соответствующий сумме модулирующего сигнала тока, сгенерированного управляющим устройством 440 для управления перераспределением тока, и модулирующего сигнала напряжения Vam, сгенерированного управляющей системой 325 для управления напряжением. Второй сумматор 465 генерирует второй модулирующий сигнал на выходе 475, соответствующий сумме текущего модулирующего сигнала, сгенерированного вторым управляющим устройством 445 для управления перераспределением тока, и модулирующего сигнала напряжения Vam, сгенерированного управляющей системой 325 для управления напряжением. Модулирующий сигнал на выходе 470 может быть выдан на схему 345 опорной несущей частоты для сравнения с соответствующим сигналом несущей частоты с обеспечением генерирования управляющих ШИМ-сигналов 355, используемых в управлении первым выходным напряжением V_inva1 ШИМ первого инвертора 120. Модулирующий сигнал на выходе 475 может быть выдан на схему 350 опорной несущей частоты для сравнения с соответствующим сигналом несущей частоты с обеспечением генерирования управляющих ШИМ-сигналов 370, используемых в управлении первым выходным напряжением V_inva2 ШИМ второго инвертора 125. В каждом случае, управляющие ШИМ-сигналы выданы на генераторы 360 стробирующих импульсов на соответствующие инверторы.

Пример управляющего устройства для управления перераспределением тока

Один пример конструкции управляющего устройства 440 для управления перераспределением тока (C(s)) приведен в следующей формуле:

причем

В вышеуказанной формуле ω_l задает среднюю частоту низкочастотного резонансного фильтра, ω_f задает среднюю частоту резонансного фильтра основной частоты, Δω_l задает ширину полосы пропускания резонансного низкочастотного фильтра, Δω_f задает ширину полосы пропускания резонансного фильтра основной частоты, К_l0 и К_f0 задают соответственно амплитуды полос пропускания резонансного низкочастотного фильтра и резонансного фильтра основной частоты, К_l и K_f задают соответственно максимальные коэффициенты усиления резонансного низкочастотного фильтра и резонансного фильтра основной частоты, а C_ph(s) представляет собой компенсатор фазовой задержки, обеспечивающий фазовую компенсацию вблизи основной частоты. Резонансное управляющее устройство для управления основной частотой имеет среднюю частоту, близкую к основной частоте напряжения питания каждой фазы многофазного (трехфазного) напряжения. Кроме того, можно увидеть, что каждый канал 330 перераспределения тока имеет ту же самую частотную характеристику по отношению к соответствующим управляющим устройствам для управления перераспределением тока.

Значения k_р и k_i определяют коэффициент усиления и ноль передаточной функции. Значения выбирают на основании необходимой надежности системы. Значения k_р и k_i выбирают для обеспечения низкой частоты среза "DC" части C(s) для достижения необходимой надежности системы.

В трехфазной системе питания, работающей на 400 Гц, значение 400 Гц задано в качестве значения ω_f, которое соответствует основной частоте. Значение ω_l выбирают таким образом, что оно имеет низкую частоту, такую как частоту, находящуюся в диапазоне от приблизительно 1 до 20 Hz. Значение Δω_l должно быть относительно большим по сравнению с Δω_f, значение которого должно быть относительно небольшим. Значения К_l0 и К_f0 выбирают для получения единичного усиления в полосе непропускания частот частей "низкая частота" и "основная частота" C(s). Значения К_l и K_f выбирают для получения высоких пиковых значений на средней частоте низкочастотного резонансного управляющего устройства и резонансного управляющего устройства основной частоты, а влияние Δω и Δω_f, Кl0 и K_f0 на эти значения может быть также оценено. Для этого, увеличение K_l и K_f будет иметь схожее влияние, как и увеличение Δω_l и Δω_f (увеличение ширины полосы пропускания низкочастотных резонансных управляющих устройств и резонансных управляющих устройств основной частоты) или увеличение K_l0 и К_f0 (увеличение коэффициента усиления в ширине полосы непропускания низкочастотных резонансных управляющих устройств и резонансных управляющих устройств основной частоты).

Параметры компенсатора C_ph(s) фазовой задержки выбирают на основании фазовой задержки, вызванной измерительной схемой для измерения тока. Например, временная задержка в 10-100 микросекунд могла бы быть вызвана измерительной схемой для измерения тока, что равно 1,44°-14,4° на основной частоте, составляющей 400 Hz. Таким образом, компенсатор C_ph(s) фазовой задержки компенсирует фазовую задержку в 20-30 градусов на основной частоте ω_{f assists} при обеспечении стабильности системы.

Низкая частота среза "DC" части C(s) способствует обеспечению стабильности системы, ω_l, задающая среднюю частоту низкочастотного резонансного фильтра C(s), может быть выбрана таким образом, что она расположена в диапазоне между частотой среза "DC" части и значением ω_f, составляющим 400 Гц. Например, ω_l может находиться в диапазоне от 1 до 20 Гц с шириной полосы пропускания в диапазоне между приблизительно 10 Гц и 30 Гц. Средняя частота части "основной частоты" C(s), как указано выше, составляет 400 Гц и может иметь очень маленькую ширину полосы пропускания. Фазовый угол компенсатора C_ph(s) фазовой задержки на 400 Гц должен быть выбран для компенсации временной задержки, вызванной измерительной схемой для измерения тока, а амплитуда до частоты среза должна быть настолько близка к единице, насколько это возможно.

С использованием вышеуказанных руководящих указаний, значения C(s) для одного варианта реализации трехфазной системы представляют собой:

причем

На фиг. 7а-7с показаны диаграммы Боде для управляющего устройства 440 для управления перераспределением тока (C(s)). На фиг. 7а показана частотная и фазовая характеристики, связанные с каждым управляющим устройством для управления перераспределением тока, причем верхний график 485 расположен в системе координат s-плоскости и отображает амплитудно-частотную характеристику управляющего устройства для управления перераспределением тока, а график 490 представляет собой фазовую характеристику управляющего устройства 440 для управления перераспределением тока. В данном примере, частотная и фазовая характеристики фильтра постоянного тока (DC) показаны в 495. Частотная и фазовая характеристики низкочастотного резонансного фильтра показаны в 500. Частотная и фазовая характеристики резонансного фильтра основной частоты показаны в 505.

На фиг. 7b показаны частота и фазовый ответ, связанные с компенсатором C_ph фазовой задержки. В частности, на верхнем графике 510 показана амплитуда частотной характеристики в 515, а на графике 520 показана фазовая характеристика в 525.

На фиг. 7с показаны графики, иллюстрирующие общие результирующие фазовую и частотную характеристики управляющего устройства для управления перераспределением тока, включая компенсатор фазовой задержки. В частности, на верхнем графике 525 показана результирующая амплитудно-частотная характеристика, а на нижнем графике 530 показана результирующая фазочастотная характеристика. Как показано, на фазочастотной характеристике, показанной на графике 525, присутствует пик 535 на основной частоте сигналов напряжения, используемых для управления нагрузкой. В настоящем изобретении управляющие устройства для управления перераспределением тока выполнены для воздушного судна, так что пик 535 на общей характеристике возникает на частоте, составляющей приблизительно 400 Гц. Результирующая фазочастотная характеристика также показывает фазовый сдвиг в пике рядом с 537 на основной частоте.

Реализация цифрового сигнального процессора (DSP)

На фиг. 8 показана система 100 преобразования энергии, в которой происходят различные операции обработки сигналов в цифровом сигнальном процессоре (DSP) 600. В системе 100 преобразования энергии трехфазное выходное напряжение выдают на нагрузку во время операции 605, эти выходные напряжения измеряют во время операции 610 измерения напряжения, а дополнительная низкочастотная фильтрация происходит во время операции 615 фильтрации до подачи сигналов на аналого-цифровой преобразователь (не показан) цифрового сигнального процессора (DSP) 600 для обработки в цифровой области.

После преобразования измеренных напряжений в цифровые сигналы, их подвергают операции 620 разложения последовательности. Операция 620 разложения последовательности включает разделение цифровых сигналов на прямую, обратную и нулевую последовательности. Такие операции описаны выше по отношению к устройству 400 для разложения последовательностей по фиг. 3.

Каждую прямую, обратную и нулевую последовательность подвергают отдельным abc-dq преобразованиям. В данном примере, прямые последовательности подвергают операции преобразования, выполняемой в abc-dq преобразователе 625. Обратные последовательности подвергают операции преобразования, выполняемой в abc-dq преобразователе 630. Нулевые последовательности подвергают операции преобразования, выполняемой посредством abc-dq преобразователя 635.

Выходные сигналы по d-оси и q-оси каждого abc-dq преобразователя 625, 630 и 635 выданы на два управляющих устройства для управления напряжением, работающих в dq-области. В показанном примере dq сигналы выданы на соответствующий один из множества двухполюсных управляющих устройств 640. Операции, выполняемые двухполюсными управляющими устройствами 640, могут представлять собой операции, описанные выше в отношении пропорционально-интегральных (PI) управляющих устройств, используемых в управляющем устройстве 410 для управления напряжением по фиг. 3.

Выходные сигналы двухполюсных управляющих устройств 640 подвергают операции dq-abc преобразования в 645. Результирующие abc сигналы используют в случае генерирования модулирующих сигналов для каждой фазы напряжения трех выходных напряжений питания. Сигналы abc выдают непосредственно на модуль 650 перемодуляции для выполнения процедуры перемодуляции. Процедура перемодуляции может представлять собой одну из нескольких таких процедур.

Abc преобразование напряжения нейтральной фазы подают на генератор 655 для генерирования модулирующего сигнала нейтральной фазы перед его обработкой посредством модуля 650 перемодуляции. Сигналы, поданные на выходы модуля 650 перемодуляции, соответствуют модулирующим сигналам напряжения управляющей системы 325 для управления напряжением, описанной выше согласно фиг. 1, 3 и 6.

Множество межкомпонентных трансформаторов 660 используют для выдачи трехфазных выходных напряжений питания на нагрузку в ответ на сигналы питания ШИМ, принятые от первого инвертера 120 и второго инвертора 125. Сигналы, соответствующие циркулирующим токам, протекающим через каждый межкомпонентный трансформатор из множества межкомпонентных трансформаторов 660, расположены на измерительной шине 305 для измерения тока для аналого-цифрового преобразования в цифровом сигнальном процессоре (DSP) 600. Измерение циркулирующего тока может быть выполнено способом, показанным на на фиг. 1 и фиг. 2. Сигналы на измерительной шине 305 для измерения тока дополнительно выданы на низкочастотные фильтры 300 перед выполнением аналого-цифрового преобразования в цифровом сигнальном процессоре (DSP) 600. Поскольку циркулирующий ток содержит дублированный сигнал частоты переключения и поскольку частота дискретизации цифровых управляющих устройств может быть ограничена, может быть необходимо точное регулирование интервала дискретизации цифрового управляющего устройства. Например, интервал дискретизации может быть начат в пиках ШИМ-сигналов несущей частоты для предотвращения введения ложного компонента основной частоты в дискретизированный циркулирующий ток.

На фиг. 8 показан только один канал 330 перераспределения тока. Однако, цифровой сигнальный процессор (DSP) 600 выполняет операции для множества каналов 330 перераспределения тока, каждый из которых связан соответственно по меньшей мере с одним соответствующим межкомпонентным трансформатором из множества межкомпонентных трансформаторов 660.

Модулирующие сигналы тока выданы вдоль траектории 670 на входы цифровых объединяющих схем 340, причем они объединены с соответствующими модулирующими сигналами напряжения для генерирования двух модулирующих сигналов для каждой фазы трехфазного напряжения. Как показано на фиг. 8, первое множество модулирующих сигналов 675 выдано от схем объединения 340 на схему 345 опорной несущей частоты, а второе множество модулирующих сигналов 680 выдано от схем объединения 340 на схему 350 опорной несущей частоты. Выходные сигналы схемы 345 опорной несущей частоты используют в качестве управляющих ШИМ-сигналов 355 для управления работой первого инвертора 120 (генераторы 360 стробирующих импульсов не показаны). Выходные сигналы схемы 350 опорной несущей частоты используют в качестве управляющих ШИМ-сигналов 370 для управления работой второго инвертора 125 (генераторы 360 стробирующих импульсов не показаны).

Иллюстративный способ управления

На фиг. 9 показан способ 700 управления системой преобразования энергии. Как показано, 3-фазные напряжения измеряют в 705 и выдают на дополнительный низкочастотный фильтр в 707. Аналоговый выходной сигнал низкочастотного фильтра преобразуют в цифровые сигналы в 710, которые подвергают разложению на последовательности в 713. Алгоритм управления напряжением выполняют в 715 в системе координат dq в отношении разложенных сигналов. Выходные данные алгоритма управления напряжением преобразуют в координаты abc в 717. Результирующие abc сигналы используют для генерирования модулирующих сигналов напряжения в 720.

Параллельно операциям, показанным в 705-720, способ 700 выполняет операции, касающиеся циркулирующих токов, протекающих через межкомпонентные трансформаторы. Циркулирующие токи измеряют в 723 и подвергают дополнительной операции низкочастотной фильтрации в 725. Отфильтрованные аналоговые сигналы преобразуют в цифровые сигналы в 727. Цифровые значения циркулирующих токов передают на управляющие устройства для управления перераспределением тока в 730. Управляющие устройства для управления перераспределением тока выполняют множество операций в 735. Кроме этого, управляющие устройства для управления перераспределением тока применяют фильтр постоянного тока (DC) с ограниченной полосой пропускания, резонансный фильтр нижних частот и резонансный фильтр основных частот для генерирования модулирующих сигналов перераспределения тока. В 740 модулирующие сигналы напряжения от 720 и модулирующие сигналы перераспределения тока от 735 используют для генерирования управляющих ШИМ-сигналов. Управляющие ШИМ-сигналы выдают на схемы генераторов стробирующих импульсов, которые подают переключающее напряжение на инверторы, используемые в системе преобразования энергии.

Иллюстративные моделирования

На фиг. 10а-10b показаны иллюстративные графики сигналов, связанных с напряжениями (V_inva1, V_invb1, V_invc1 и V_inva2, V_invb2, V_invc2) системы преобразования энергии, которая не реализует вышеописанную схему управления. На фиг. 10а фазовый ток 750 соответствует току, сгенерированному благодаря выходным напряжениям V_inva1, V_invb1, V_invc1 от инвертора 120. Фазовый ток 755 соответствует току, сгенерированному благодаря выходным напряжениям V_inva2, V_invb2, V_invc2 от второго инвертора 125. Результирующие циркулирующие токи 760 через соответствующие межкомпонентные трансформаторы 175, 180 и 185 имеют низкочастотный компонент, который очень медленно изменяется со временем по сравнению с основной частотой. Это приводит к соответствующему большому изменению в потоке 765 (фиг. 10с) сердечников межкомпонентных трансформаторов 175, 180 и 185, что подвергает сердечники межкомпонентных трансформаторов потенциальному насыщению и ограничивают возможность выполнения межкомпонентных трансформаторов с использованием материалов сердечников с высокой магнитной проницаемостью.

Схожий анализ применяют к токам, связанным с сигналами нейтрального напряжения Vn, которые показаны на фиг. 10b. В частности, фазовый ток 770 соответствует току, сгенерированному в результате выходного напряжения V_invn1 от первого инвертора 120, а фазовый ток 775 соответствует току, сгенерированному в результате напряжения V_invn2 от второго инвертора 125. Результирующий циркулирующий ток 780 через четвертый межкомпонентный трансформатор 190 имеет низкочастотный компонент, который медленно изменяется с течением времени. Это приводит к соответствующему большому изменению в потоке 785 (фиг. 10с) четвертого межкомпонентного трансформатора 190, что подвергает сердечник четвертого межкомпонентного трансформатора 190 потенциальному насыщению с обеспечением ограничения использования высокой магнитной проницаемости материалов сердечников в четвертом межкомпонентном трансформаторе 190.

На фиг. 11a-11b показаны иллюстративные графики сигналов, связанных с напряжениями (V_inva1, V_invb1, V_invc1 и V_inva2, V_invb2, V_invc2) системы 100 преобразования энергии, имеющей вышеописанную управляющую схему. На фиг. 11а фазовый ток 800 соответствует току, сгенерированному в результате напряжений V_inva1, V_invb1, V_invc1 от первого инвертора 120, а фазовый ток 805 соответствует току, сгенерированному в результате напряжений V_inva2, V_invb2, V_invc2 от второго инвертора 125. Как показано, низкочастотный компонент на фиг. 10а-10b отсутствует в результирующем циркулирующем токе 810, протекающем через соответствующие межкомпонентные трансформаторы 175, 180 и 185. В итоге, отсутствуют какие-либо низкочастотные изменения в потоке 815 (фиг. 11с) межкомпонентных трансформаторов, причем они могут быть выполнены с использованием материалов сердечников с высокой магнитной проницаемостью.

Схожий анализ применим к нейтральному напряжению Vn системы преобразования энергии 100. На фиг. 11b фазовый ток 820 соответствует току, сгенерированному в результате напряжения V_invn1 от первого инвертора 120, а фазовый ток 825 соответствует току, сгенерированному в результате напряжения V_invn2 от второго инвертора 125. Как показано, низкочастотный компонент на фиг. 10b-10с отсутствует в результирующем циркулирующем токе 830, протекающем через четвертый межкомпонентный трансформатор 190. В итоге, отсутствуют какие-либо низкочастотные изменения в потоке 835 (фиг. 11с) четвертого межкомпонентного трансформатора 190, так что он может быть выполнен с использованием материалов сердечника с высокой магнитной проницаемостью.

Иллюстративное применение

Варианты реализации системы 100 преобразования энергии могут быть использованы в широком множестве применений. На фиг. 12 описано как система 100 преобразования энергии применена в контексте иллюстративного способа 1000. На фиг. 13 описано как система 100 преобразования энергии может быть применена в воздушном судне 1005. Во время подготовки к производству, иллюстративный способ 1000 может включать проработку и проектирование 1010 воздушного судна 1005 и материальное снабжение 1015. Во время производства происходит изготовление 1020 компонентов и подблоков и интеграция 1025 систем воздушного судна 1005. После этого, воздушное судно 1005 может пройти через сертификацию и поставку 1030 для его помещения на обслуживание 1035. Во время нахождения на обслуживании заказчиком, для воздушного судна 1005 составляют расписание планового технического обеспечения и обслуживания 1040 (которое может также включать модификацию, перенастройку, восстановление и т.д. системы 100 преобразования энергии).

Каждая из операций иллюстративного способа 1000 может быть осуществлена или выполнена системным интегратором, третьей стороной и/или оператором (например, заказчиком). Для целей данного описания, системный интегратор может содержать, без ограничения, любое количество производителей воздушных судов и субподрядчиков по основным системам, третья сторона может содержать, без ограничения, любое количество продавцов, субподрядчиков и поставщиков, а оператор может представлять собой авиакомпанию, лизинговую компанию, военную организацию, обслуживающую организацию и т.п.

Как показано на фиг. 13, воздушное судно 1005, изготовленное посредством иллюстративного способа 1000, может содержать несущую конструкцию 1043 с множеством высокоуровневых систем 1045 и внутреннюю часть 1050. Примеры высокоуровневых систем 1045 включают одну или большее количество из движительной системы 1055, электрической системы 1060, гидравлической системы 1065 и климатической системы 1070. Электрическая система 1060 может содержать одну или большее количество систем 100 преобразования энергии типа, раскрытого в настоящем описании. Система 100 преобразования энергии может подавать питание на многие высокоуровневые системы или другие системы воздушного судна 1005. Кроме того, система 100 преобразования энергии может быть включена как часть сущности способа по фиг. 11. Несмотря на то, что пример показан для авиакосмической промышленности, описанные варианты реализации могут быть применены в других отраслях промышленности, таким как автомобильная промышленность, компьютерная промышленность и т.п.

Устройство и способы, реализованные в настоящей заявке, могут быть использованы во время одного или большего количества этапов иллюстративного способа 1000. Например, компоненты или подблоки, соответствующие процессу 1010 изготовления, могут быть изготовлены или произведены способом, аналогичным компонентам или подблоки, изготовленные во время нахождения воздушного судна 1005 на обслуживании. Кроме того, один или большее количество вариантов реализации устройства, вариантов реализации способа или их сочетание могут быть использованы во время этапов изготовления, например, с обеспечением ускорения сборки воздушного судна 1005 или уменьшения затрат на него. Аналогичным образом, один или большее количество вариантов реализации устройства, вариантов реализации способа или их сочетание могут быть использованы во время нахождения воздушного судна 1005 на обслуживании, например, без ограничения, для технического обеспечения и обслуживания 1040.

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение надежности работы. Система преобразования энергии выдает многофазное питание, имеющее фазные напряжения для каждой фазы многофазного питания. Система содержит множество инверторов, которые генерируют выходные напряжения ШИМ на основании управляющих ШИМ-сигналов. Множество индуктивных компонентов выполнено с возможностью приема выходных напряжений ШИМ для генерирования фазных напряжений. Выходные напряжения ШИМ вызывают потоки циркулирующих токов через множество индуктивных компонентов. Применено управляющее устройство для управления напряжением, которое выполнено с возможностью реагирования на фазные напряжения для генерирования модулирующих сигналов напряжения, соответствующих фазным напряжениям. Множество каналов перераспределения тока связаны соответственно с каждым из множества индуктивных компонентов и выполнены с возможностью генерирования модулирующих сигналов перераспределения тока в ответ на потоки циркулирующих токов. Обеспечено генерирование управляющих ШИМ-сигналов на основании модулирующих сигналов, полученных путем объединения модулирующих сигналов перераспределения тока и модулирующих сигналов напряжения. 4 н. и 21 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Система преобразования энергии, выполненная с возможностью подачи многофазного питания, имеющего фазное напряжение, связанное соответственно с каждой фазой многофазного питания, содержащая:

множество инверторов, выполненных с возможностью генерирования выходных напряжений ШИМ для каждого фазного напряжения в ответ на управляющие ШИМ-сигналы,

множество индуктивных компонентов, выполненных с возможностью приема выходных напряжений ШИМ для генерирования фазных напряжений, причем выходные напряжения ШИМ приводят к протеканию множества потоков циркулирующих токов во множестве индуктивных компонентов,

управляющее устройство для управления напряжением, выполненное с возможностью реагирования на генерирование модулирующих сигналов напряжения для каждого фазного напряжения,

множество каналов перераспределения тока, связанных соответственно с каждым из указанного множества индуктивных компонентов и выполненных с возможностью генерирования модулирующих сигналов перераспределения тока в ответ на указанное множество потоков циркулирующих токов, и

схему опорной несущей частоты, выполненную с возможностью генерирования управляющих ШИМ-сигналов в ответ на модулирующие сигналы, получение которых обеспечено путем объединения модулирующих сигналов перераспределения тока и модулирующих сигналов напряжения.

2. Система по п. 1, в которой указанные индуктивные компоненты представляют собой множество межкомпонентных трансформаторов.

3. Система по п. 1, в которой указанные индуктивные компоненты представляют собой множество элементов индуктивности.

4. Система по п. 2, в которой указанное множество инверторов содержит первый и второй инверторы, которые генерируют чередующиеся трехфазные выходные напряжения ШИМ.

5. Система преобразования энергии по п. 4, в которой множество межкомпонентных трансформаторов выполнены с возможностью выдачи трехфазных напряжений питания с использованием чередующихся трехфазных выходных напряжений ШИМ от первого и второго инверторов.

6. Система по п. 4, в которой каждый из указанных первого и второго инверторов дополнительно выдает напряжение нейтральной фазы.

7. Система по п. 1, дополнительно содержащая измерительную схему для измерения тока, содержащую множество датчиков тока, выполненных с возможностью выдачи сигналов циркулирующего тока на каналы перераспределения тока для каждого из указанного множества индуктивных компонентов.

8. Система по п. 1, в которой указанные каналы перераспределения тока содержат резонансное управляющее устройство для управления основной частотой, имеющее среднюю частоту, близкую к основной частоте фазных напряжений.

9. Система по п. 1, в которой каналы перераспределения тока имеют частотную характеристику преобразования, в целом соответствующую:

где

, причем

ω_l задает среднюю частоту низкочастотного фильтра,

ω_f задает среднюю частоту фильтра основной частоты,

Δω_l задает ширину полосы пропускания низкочастотного фильтра,

Δω_f задает ширину полосы пропускания фильтра основной частоты,

K_l0 и K_f0 задают соответственно амплитуды полос пропускания низкочастотного фильтра и фильтра основной частоты,

K_l и K_f задают соответственно максимальные коэффициенты усиления низкочастотного фильтра и фильтра основной частоты, а

C_ph(s) представляет собой компенсатор фазовой задержки, обеспечивающий фазовую компенсацию около основной частоты.

10. Система по п. 1, дополнительно содержащая источник питания постоянного тока (DC), выполненный с возможностью подачи входного питания на указанное множество инверторов, которые совместно используют общую шину постоянного тока (DC).

11. Управляющая система для системы преобразования энергии, содержащая:

управляющее устройство для управления напряжением, выполненное с возможностью реагирования на сигналы трехфазного напряжения для генерирования соответствующих модулирующих сигналов напряжения;

каналы перераспределения тока, выполненные с возможностью реагирования на множество циркулирующих токов от множества индуктивных компонентов, которые связаны с соответствующими фазами сигналов трехфазного напряжения, причем каналы перераспределения тока генерируют модулирующие сигналы перераспределения тока, связанные соответственно с каждой фазой сигналов трехфазного напряжения, с использованием указанного множества циркулирующих токов от указанного множества индуктивных компонентов; и

множество схем объединения, каждая из которых связана с фазой сигналов трехфазного напряжения, причем указанные схемы объединения объединяют модулирующие сигналы напряжения и модулирующие сигналы перераспределения тока, связанные соответственно с каждой фазой сигналов трехфазного напряжения, для генерирования управляющих ШИМ-сигналов.

12. Управляющая система по п. 11, в которой каналы перераспределения тока выполнены с возможностью приема циркулирующих токов от множества межкомпонентных трансформаторов.

13. Управляющая система по п. 12, в которой каналы перераспределения тока выполнены с возможностью приема циркулирующих токов от множества элементов индуктивности.

14. Управляющая система по п. 12, в которой каналы перераспределения тока содержат резонансное управляющее устройство для управления частотой, имеющее среднюю частоту, близкую к основной частоте каждой фазы сигналов трехфазного напряжения.

15. Управляющая система по п. 13, в которой каждый канал перераспределения тока имеет частотную характеристику преобразования, в целом соответствующую:

где

, причем

ω_l задает среднюю частоту низкочастотного фильтра,

ω_f задает среднюю частоту фильтра основной частоты,

Δω_l задает ширину полосы пропускания низкочастотного фильтра,

Δω_f задает ширину полосы пропускания фильтра основной частоты,

K_l0 и K_f0 задают соответственно амплитуды полос пропускания низкочастотного фильтра и фильтра основной частоты,

K_l и K_f задают соответственно максимальные коэффициенты усиления низкочастотного фильтра и фильтра основной частоты, а

C_ph(s) представляет собой компенсатор фазовой задержки, обеспечивающий фазовую компенсацию около основной частоты.

16. Система преобразования энергии, выполненная с возможностью подачи многофазного питания, имеющего фазное напряжение, связанное соответственно с каждой фазой многофазного питания, содержащая:

управляющую схему с ШИМ;

множество инверторов, имеющих входы, соединенные с управляющей схемой с ШИМ,

множество индуктивных компонентов, соединенных с выходами по напряжению ШИМ множества инверторов,

множество выходных контактов для подачи энергии, соединенных с выходами указанного множества индуктивных компонентов,

множество датчиков тока, соединенных с указанным множеством индуктивных компонентов,

управляющее устройство для управления напряжением, соединенное с указанным множеством индуктивных компонентов,

систему перераспределения тока, соединенную с указанным множеством датчиков тока,

объединяющую схему, соединенную с выходами управляющего устройства для управления напряжением и выходами системы перераспределения тока, и

управляющую схему, соединенную с объединяющей схемой.

17. Система по п. 16, в которой указанное множество индуктивных компонентов содержит межкомпонентные трансформаторы.

18. Система по п. 16, в которой указанное множество индуктивных компонентов содержит элементы индуктивности.

19. Система по п. 17, в которой указанное множество датчиков тока соединено с межкомпонентными трансформаторами для выдачи сигналов, соответствующих удвоенному циркулирующему току, протекающему через каждый из этих межкомпонентных трансформаторов.

20. Система по п. 16, в которой система перераспределения тока содержит множество управляющих устройств для управления перераспределением тока, расположенных парами, причем каждая пара из указанного множества управляющих устройств соединена с соответствующим датчиком тока.

21. Система по п. 20, в которой каждое управляющее устройство для управления перераспределением тока из каждой пары управляющих устройств для управления перераспределением тока содержит резонансное управляющее устройство, имеющее среднюю частоту, близкую к основной частоте напряжений на указанном множестве контактов для подачи энергии.

22. Система по п. 16, дополнительно содержащая источник питания постоянного тока (DC), соединенный с множеством инверторов, которые соединены с общей шиной постоянного тока (DC).

23. Способ управления многофазной системой преобразования энергии, включающий:

генерирование модулирующих сигналов напряжения в ответ на напряжение каждой фазы многофазного питания,

регистрацию циркулирующих токов, протекающих через множество межкомпонентных трансформаторов, каждый из которых связан с соответствующим фазовым напряжением,

применение управляющего устройства к зарегистрированным циркулирующим токам в соответствии с генерированием модулирующих сигналов перераспределения тока, соответствующих циркулирующим токам, и

объединение модулирующих сигналов напряжения и модулирующих сигналов перераспределения тока для генерирования управляющих ШИМ-сигналов.

24. Способ по п. 23, согласно которому применение управляющего устройства включает применение резонансного управляющего устройства на средней частоте, близкой к основной частоте каждой фазы многофазного питания.

25. Способ по п. 23, согласно которому применение управляющего устройства включает применение управляющего устройства, имеющего частотную характеристику преобразования, в целом соответствующую:

где

, причем

ω_l задает среднюю частоту низкочастотного фильтра,

ω_f задает среднюю частоту фильтра основной частоты,

Δω_l задает ширину полосы пропускания низкочастотного фильтра,

Δω_f задает ширину полосы пропускания фильтра основной частоты,

K_l0 и K_f0 задают соответственно амплитуды полос пропускания низкочастотного фильтра и фильтра основной частоты,

K_l и K_f задают соответственно максимальные коэффициенты усиления низкочастотного фильтра и фильтра основной частоты, а

C_ph(s) представляет собой компенсатор фазовой задержки, обеспечивающий фазовую компенсацию около основной частоты.