МНОГОУРОВНЕВЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 2018 года по МПК H02M1/32 

Изобретение относится к многоуровневому инвертору с признаками в соответствии с родовым понятием пункта 1 формулы изобретения.

Такой многоуровневый инвертор описан в документе конференции “Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendungen bei hohen Spannungen” (Rainer Marquardt, Anton Lesnicar und Jürgen Hildinger, Institut für elektrische Antriebstechnik, Leistungselektronik und Steuerungen der Universität der Bundeswehr München, ETG Fachtagung Bauelemente der Leistungselektronik und ihre Anwendungen, 2002, Bad Nauheim). Известный многоуровневый инвертор оснащен множеством последовательно соединенных суб-модулей, которые, соответственно, имеют первый переключатель, второй переключатель и конденсатор и в фазах разряда посредством конденсатора отдают ток вовне, а в фазах заряда получают ток для зарядки конденсатора. Центральное устройство служит для управления работой многоуровневого инвертора.

В известных многоуровневых инверторах существует проблема, состоящая в том, что в случае выхода из строя одного из суб-модулей, например, в случае резкого разряда конденсатора, если ошибочным образом оба переключателя суб-модуля включены, может произойти разрушение суб-модуля, и корпус суб-модуля может треснуть. Такое растрескивание корпусов суб-модулей может причинить ущерб другим соседним суб-модулям, так что они из-за механического воздействия также выходят из строя и, в свою очередь, вызывают токи короткого замыкания. Другими словами, может произойти цепная реакция, в результате которой все суб-модули многоуровневого инвертора разрушаются.

Для того чтобы предотвратить описанную проблему растрескивания корпусов суб-модулей или цепную реакцию разрушения суб-модулей, известные многоуровневые инверторы снабжаются особенно прочными корпусами суб-модулей; однако это приводит к очень большому весу многоуровневого инвертора, а также к очень высокому использованию материала.

С другой стороны, известно, что емкость конденсаторов суб-модулям выбирается настолько малой, что возникающая в случае тока короткого замыкания нагрузка в суб-модулях остается настолько низкой, что не происходит растрескивания корпусов суб-модулей.

В основе изобретения лежит задача обеспечить многоуровневый инвертор, в котором вышеописанная проблема разрушения суб-модулей особенно простым и экономичным образом исключается, по меньшей мере снижается.

Эта задача решается в соответствии с изобретением многоуровневым инвертором с признаками согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления соответствующего изобретению многоуровневого инвертора приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Соответственно, согласно изобретению предусматривается, что по меньшей мере один из суб-модулей имеет два гальванически соединенных друг с другом частичных модуля или образован двумя гальванически соединенными друг с другом частичными модулями, которые, соответственно, имеют первый переключатель, второй переключатель и конденсатор, а также первый и второй вывод частичного модуля, и гальваническое соединение между двумя частичными модулями включает в себя по меньшей мере один индуктивный элемент.

Существенным преимуществом соответствующего изобретению многоуровневого инвертора является то, что по меньшей мере один из суб-модулей, предпочтительно все суб-модули образованы частичными модулями, которые хотя и гальванически соединены друг с другом и, таким образом, допускают разрядный ток между частичными модулями, однако протекание тока в случае короткого замыкания ограничивается предусмотренным в соответствии с изобретением дополнительным индуктивным элементом в гальваническом соединении между частичными модулями. Идея изобретения состоит, таким образом, в том, чтобы разделить суб-модули на частичные модули, которые совместно имеют требуемые для суб-модуля электрические характеристики; хотя частичные модули для функциональности суб-модуля гальванически (т.е. электрически токоведущим образом) соединены друг с другом, однако за счет по меньшей мере одного индуктивного элемента в гальваническом соединении настолько электрически развязаны друг от друга, что в случае выхода из строя одного из частичных модулей, остальные частичные модули затрагиваются лишь в ограниченной степени.

Частичные модули суб-модуля или суб-модулей предпочтительно выполнены в одинаковой конструкции.

Первый переключатель каждого частичного модуля предпочтительно соединен с конденсатором последовательно; второй переключатель каждого частичного модуля предпочтительно подсоединен параллельно к последовательному соединению из первого конденсатора и второго конденсатора. Первый вывод частичного модуля каждого частичного модуля предпочтительно образован электрической точкой соединения между обоими переключателями частичного модуля, и второй вывод частичного модуля каждого частичного модуля предпочтительно образован электрической точкой соединения между конденсатором и вторым переключателем.

Для достижения адекватного разделения частичных модулей с учетом того, что выход из строя одного из частичных модулей не причинит ущерба другому или остальным частичным модулям, считается предпочтительным, если индуктивность индуктивного элемента или сумма индуктивностей индуктивных элементов в гальваническом соединении между двумя частичными модулями по меньшей мере в пять раз, предпочтительно по меньшей мере в десять раз, больше суммы действующих в двух частичных модулях паразитных индуктивностей. Такой расчет параметров индуктивности индуктивного элемента обычно обеспечивает достаточную электрическую развязку частичных модулей.

Что касается расположения по меньшей мере одного индуктивного элемента, считается предпочтительным, когда первые выводы частичных модулей гальванически соединены, соответственно, с первым выводом суб-модуля, а также друг с другом, а вторые выводы частичных модулей гальванически соединены, соответственно, с вторым выводом суб-модуля, а также друг с другом, причем гальваническое соединение между обоими первыми выводами частичных модулей и/или между обоими вторыми выводами частичных модулей содержит по меньшей мере один индуктивный элемент. Также при таком расположении индуктивного элемента, особенно предпочтительно, если индуктивность индуктивного элемента или сумма индуктивностей индуктивных элементов в гальваническом соединении между обоими первыми выводами частичных модулей и/или между обоими вторыми выводами частичных модулей по меньшей мере в пять раз, предпочтительно по меньшей мере в десять раз, больше, чем сумма действующих в двух частичных модулях паразитных индуктивностей.

Для того чтобы добиться того, что конденсаторные напряжения конденсаторов частичных модулей постоянно имеют по меньшей мере примерно одинаковую величину, считается предпочтительным, если частные модули имеют, соответственно, третий вывод частичного модуля, и конденсаторы частичных модулей через эти третьи выводы частичных модулей гальванически соединены между собой с высоким омическим сопротивлением и/или с высокой индуктивностью. Через третьи выводы частичных модулей возможен уравнительный ток между конденсаторами частичных модулей, причем, однако, из-за высокого омического сопротивления или высокой индуктивности между третьими выводами частичных модулей гарантируется, что даже в случае выхода из строя одного из частичных модулей остальные частичные модули надлежащим образом защищены.

В случае соединения с высоким омическим сопротивлением выводов третьих частичных модулей друг с другом, считается предпочтительным, если величина омического сопротивления между конденсаторами двух частичных модулей по меньшей мере на множитель 10⁵ больше, чем величина импеданса индуктивного элемента при сетевой частоте, то есть, как правило, 50 Гц или 60 Гц, или сумма величин импедансов индуктивных элементов при сетевой частоте в гальваническом(их) соединении(ях) между двумя частичными модулями.

В случае, когда суб-модуль должен обеспечивать особенно высокие выходные мощности, считается предпочтительным, если суб-модуль образован более чем из двух частичных модулей, соответственно, в особенно предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что по меньшей мере один суб-модуль, в дополнение к двум частичным модулям, имеет дополнительные частичные модули, которые имеют, соответственно, первый переключатель, второй переключатель и конденсатор, а также первый и второй вывод частичного модуля, первые выводы дополнительных частичных модулей, соответственно, гальванически соединены с первым выводом суб-модуля, и вторые выводы дополнительных частичных модулей, соответственно, гальванически соединены со вторым выводом суб-модуля, причем гальваническое соединение между первыми выводами дополнительных частичных модулей и первым выводом суб-модуля и/или гальваническое соединение между вторыми выводами дополнительных частичных модулей и вторым выводом суб-модуля содержит, каждое, по меньшей мере один индуктивный элемент.

Другими словами, может быть предусмотрено, что по меньшей мере один суб-модуль имеет множество частичных модулей, которые, соответственно, имеют первый переключатель, второй переключатель и конденсатор, а также первый и второй вывод частичного модуля, первые выводы частичных модулей, соответственно, гальванически соединены с первый выводом суб-модуля, и вторые выводы частичных модулей, соответственно, гальванически соединены со вторым выводом суб-модуля, причем гальваническое соединение между первым выводами частичных модулей и первым выводом суб-модуля и гальваническое соединение между вторыми выводами частичных модулей и вторым выводом суб-модуля, соответственно, содержит по меньшей мере один индуктивный элемент.

С учетом выравнивания конденсаторных напряжений множества частичных модулей, считается предпочтительным, если конденсаторы частичных модулей гальванически соединены с высоким омическим сопротивлением, и величина омического сопротивления между конденсаторами, соответственно, двух соединенных взаимосвязанных друг с другом частичных модулей, соответственно, по меньшей мере на сомножитель 10⁵ больше, чем сумма величин импедансов при 50 Гц, которые образуют эти индуктивные элементы, которые расположены в гальванических соединениях между этими двумя частичными модулями и выводами суб-модуля.

Предпочтительно, сумма индуктивностей индуктивных элементов в гальваническом соединении первым выводом частичного модуля и первым выводом суб-модуля и в гальваническом соединении между вторым выводом частичного модуля и вторым выводом суб-модуля для каждого из частичных модулей по меньшей мере в пять раз, предпочтительно по меньшей мере в десять раз, больше, чем сумма действующих в этих частичных модулях паразитных индуктивностей.

Особенно предпочтительно, все суб-модули многоуровневого инвертора выполнены, как описано выше, то есть образованы из частичных модулей; соответственно, считается предпочтительным, если все суб-модули многоуровневого инвертора, соответственно, содержат по меньшей мере два частичных модуля или образованы по меньшей мере двумя частичными модулями, которые, соответственно, имеют первый переключатель, второй переключатель и конденсатор, а также первый и второй вывод частичного модуля.

Один или более индуктивных элементов предпочтительно образованы посредством дросселей. В качестве альтернативы, возможно, что один или более индуктивных элементов образованы паразитными индуктивностями в гальванических соединениях между частичными модулями.

Управление переключателями частичных модулей предпочтительно осуществляется с индуктивной развязкой.

Что касается индуктивной развязки при управлении, считается предпочтительным, если по меньшей мере один суб-модуль или все суб-модули, соответственно, имеют первую собственную суб-модульную возбуждающую схему и вторую собственную суб-модульную возбуждающую схему, и первые переключатели частичных модулей управляются с индуктивной развязкой первой собственной суб-модульной возбуждающей схемой, и вторые переключатели частичных модулей управляются с индуктивной развязкой второй собственной суб-модульной возбуждающей схемой.

Особенно предпочтительно, когда между каждым первым переключателем и первой собственной суб-модульной возбуждающей схемой для индуктивной развязки, соответственно, расположен скомпенсированный по току дроссель, и между каждым вторым переключателем и второй собственной суб-модульной возбуждающей схемой для индуктивной развязки, соответственно, расположен скомпенсированный по току дроссель.

Кроме того, изобретение относится к суб-модулю для многоуровневого инвертора, как описано выше. В соответствии с изобретением предусмотрено, что суб-модуль имеет два гальванически соединенных друг с другом частичных модуля или образован двумя гальванически соединенными друг с другом частичными модулями, которые, соответственно, имеют первый переключатель, второй переключатель и конденсатор, а также первый и второй вывод частичного модуля, и гальваническое соединение между двумя частичными модулями включает в себя по меньшей мере один индуктивный элемент.

Относительно преимуществ соответствующего изобретению суб-модуля, можно сослаться на изложенные выше сведения в связи с соответствующим изобретению многоуровневым инвертором.

Далее изобретение поясняется более подробно на примерах выполнения со ссылками на чертежи, на которых в качестве примера представлено следующее:

Фиг. 1 – пример выполнения многоуровневого инвертора, который снабжен множеством суб-модулей,

Фиг. 2 - для общего объяснения, известный суб-модуль, который может быть использован в многоуровневом инверторе согласно фиг. 1 для получения известного многоуровневого инвертора,

Фиг. 3 – пример выполнения соответствующего изобретению суб-модуля, который при использовании в многоуровневом инверторе согласно фиг. 1, приводит к соответствующему изобретению многоуровневому инвертору,

Фиг. 4 - пример выполнения соответствующего изобретению суб-модуля с двумя индуктивными элементами,

Фиг. 5 - другой пример выполнения соответствующего изобретению суб-модуля с двумя индуктивными элементами,

Фиг. 6 – пример выполнения соответствующего изобретению суб-модуля с четырьмя индуктивными элементами,

Фиг. 7 – пример выполнения соответствующего изобретению суб-модуля, который позволяет генерировать биполярные выходные напряжения, и

Фиг. 8 – пример выполнения для управления переключателями суб-модулей согласно фиг. 3-7.

На чертежах, для ясности, одинаковые или сопоставимые компоненты обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

На фиг. 1 показан пример выполнения трехфазного многоуровневого инвертора 10. Он включает в себя выводы W10 для ввода или вывода или съема переменного тока. Кроме того, многоуровневый инвертор 10 имеет два вывода G10а и G10b напряжения, которые обозначаются как выводы постоянного напряжения.

Многоуровневый инвертор 10 имеет три параллельно включенных последовательных соединения RE1, RE2 и RE3, у которых внешние выводы R11, R21 и R31 соединены с выводом G10а постоянного напряжения. Внешние выводы R12, R22 и R32 соединены с выводом G10b постоянного напряжения. Другими словами, внешние выводы трех последовательных соединений RE1, RE2 и RE3 образуют, таким образом, сторону постоянного напряжения многоуровневого инвертора 10.

Каждое из трех последовательных соединений RE1, RE2 и RE3 оснащено, соответственно, множеством последовательно включенных суб-модулей SB и двумя индуктивностями D. Соответственно, между двумя индуктивностями D находится промежуточный вывод Z, который расположен по потенциалу между верхними и нижними на фиг. 1 суб-модулями и образует один из трех выводов W10 переменного напряжения многоуровневого инвертора 10. Три вывода W10 переменного напряжения могут быть соединены, например, с генератором 15.

На фиг. 1 можно также видеть, например, подключение или соединение суб-модулей SB. Каждый из суб-модулей SB имеет, соответственно, первый вывод SB1 суб-модуля и второй вывод SB2 суб-модуля.

Управление суб-модулями SB осуществляется в многоуровневом инверторе 10 по фиг. 1 посредством центрального устройства 20. Предусмотренные для управления центральным устройством 20 соединения между центральным устройством 20 и суб-модулями SB не показаны для ясности на фиг. 1, но только схематично обозначены линиями 21.

Фиг. 2 показывает, для лучшего понимания последующего обсуждения, суб-модуль SB, как он используется в известном из вышеупомянутой публикации многоуровневом инверторе. Суб-модуль SB включает в себя первый переключатель 110, второй переключатель 120, конденсатор 130, первый вывод SB1 суб-модуля и второй вывод SB2 суб-модуля. Если в суб-модуле один из переключателей 110 или 120 выходит из строя, и оба переключателя коммутируются одновременно, то вся накопленная в конденсаторе 130 энергия высвобождается, что может привести к механическому разрушению суб-модуля SB и при определенных обстоятельствах к механическому разрушению соседних суб-модулей.

Фиг. 3 показывает первый пример выполнения соответствующего изобретению суб-модуля SB, который имеет два частичных модуля ТМ1 и ТМ2 и может быть использован в многоуровневом инверторе 10, показанном на фиг. 1, для образования соответствующего изобретению многоуровневого инвертора.

Частичный модуль TM1 включает в себя первый переключатель S1, второй переключатель S2, конденсатор С и омическое сопротивление R1. Оба переключателя S1 и S2 предпочтительно образованы, соответственно, транзистором и включенным параллельно соответствующему транзистору диодом.

Первый переключатель S1 включен последовательно с конденсатором C1; последовательное соединение переключателя S1 и конденсатора C1 подсоединено параллельно второму переключателю S2.

Первый вывод А1 частичного модуля TM1 электрически подключен к точке соединения между обоими переключателями S1 и S2. Второй вывод А2 частичного модуля электрически подключен к точке соединения между вторым переключателем S2 и конденсатором C1.

В примере выполнения согласно фиг. 3 частичный модуль ТМ1 дополнительно оснащен третьим выводом А3 частичного модуля, который электрически подключен к омическому сопротивлению R1 частичного модуля TM1 и через это омическое сопротивление R1 соединен с конденсатором C1.

Частичный модуль ТМ2 предпочтительно идентичен по конструкции частичному модулю TM1. Таким образом, частичный модуль ТМ2 предпочтительно также имеет первый переключатель S3, второй переключатель S4, конденсатор C2 и омическое сопротивление R2. Оба переключателя S3 и S4, конденсатор С2 и омическое сопротивление R2 предпочтительно соединены таким же образом, как и в случае частичного модуля TM1; относительно соединения компонентов частичного модуля ТМ2 можно сослаться на приведенные выше сведения, касающиеся соединения компонентов частичного модуля ТМ1.

В обоих частичных модулях ТМ1 и ТМ2 действуют, соответственно, паразитные индуктивности, которые в представлении согласно фиг. 3 обозначены ссылочными позициями Lp1 и Lp2.

Первый вывод А1 частичного модуля TM1 гальванически соединен с первым выводом А1 частичного модуля TM2 и образует с ним первый вывод SB1 суб-модуля SB. Гальваническая соединительная линия между первым выводом А1 частичного модуля TM1 и первым выводом SB1 суб-модуля SB обозначена на фиг. 3 ссылочной позицией V1. Гальваническая соединительная линия между первым выводом А1 частичного модуля TM2 и первым выводом SB1 суб-модуля обозначена на фиг. 3 ссылочной позицией V2.

Оба вторых вывода А2 обоих частичных модулей TM1 и ТМ2 также соединены друг с другом посредством соединительных линий V3 и V4, а также с вторым выводом SB2 суб-модуля.

Третьи выводы А3 обоих частичных модулей ТМ1 и ТМ2 соединены посредством соединительной линии V5.

В нормальном режиме работы суб-модуля SB в соответствии с фиг. 3, оба первых переключателя S1 и S3 обоих частичных модулей ТМ1 и ТМ2, соответственно, совместно выключаются и включаются; то же самое относится и к обоим вторым переключателям S2 и S4 обоих частичных модулей ТМ1 и ТМ2. При этом включение и выключение первого и второго переключателей обоих частичных модулей ТМ1 и ТМ2 осуществляется, соответственно, попеременно таким образом, что в каждом из обоих частичных модулей ТМ1 и ТМ2, соответственно, включается либо первый переключатель S1 или S3, либо второй переключатель S2 или S4, а соответствующий другой переключатель тогда выключается. Такое управление гарантирует, что конденсатор соответствующего частичного модуля за счет соответствующих переключателей частичного модуля не замыкается накоротко и резко не разряжается.

Для того чтобы в нормальном режиме работы суб-модуля SB добиться того, чтобы оба конденсатора C1 и С2 обоих частичных модулей ТМ1 и ТМ2 имели, соответственно, то же самое конденсаторное напряжение Uс1 или Uс2, предусмотрена соединительная линия V5, которая обеспечивает возможность уравнительного тока между обоими конденсаторами C1 и C2 по обоим омическим сопротивлениям R1 и R2; уравнивающий ток приводит, другими словами, к тому, что оба конденсаторных напряжения Uс1 и Uс2 будут по меньшей мере приблизительно равными.

Кроме того, на фиг. 3 можно видеть индуктивный элемент I1, который предусмотрен в гальванической соединительной линии V1. Индуктивный элемент I1 предпочтительно представляет собой дроссель. Функция индуктивного элемента I1 состоит в том, чтобы снизить ток разряда между обоими частичными модулями ТМ1 и ТМ2 в случае неисправности или выхода из строя одного из обоих частичных модулей; это будет пояснено более подробно с помощью примера.

Ниже предполагается, в качестве примера, что оба первых переключателя S1 и S3 обоих частичных модулей ТМ1 и ТМ2 включены, а оба вторых переключателя S2 и S4 обоих вторых частичных модулей ТМ1 и ТМ2 выключены. Если теперь происходит сбой второго переключателя S2 частичного модуля ТМ1 и коммутация второго переключателя S2, то конденсатор C1 частичного модуля ТМ1 через уже включенный первый переключатель S1 и выключенный второй переключатель S2 замыкается накоротко и разряжается. Ток If1 разряда протекает в частичном модуле TM1, таким образом, через первый переключатель S1 и второй переключатель S2. Емкость конденсатора C1 в частичном модуле TM1 предпочтительно выбирается таким образом, что ток If1 разряда, протекающий через оба переключателя S1 и S3, не будет приводить к полному механическому разрушению частичного модуля ТМ1.

Второй частичный модуль ТМ2 также затрагивается неисправностью частичного модуля ТМ1. Из-за выхода из строя второго переключателя S2 частичного модуля ТМ1 обеспечивается возможность тока If2 разряда, которым разряжается конденсатор С2 частичного модуля ТМ2. Этот ток If2 разряда протекает через первый переключатель S3 частичного модуля ТМ2 по гальваническим соединительным линиям V2 и VI через второй переключатель S2 частичного модуля ТМ1 и затем через соединительные линии V3 и V4 обратно к частичному модулю ТМ2. Этот ток If2 разряда эффективно ограничивается индуктивным элементом I1, который предусмотрен в гальванической соединительной линии V1 и поддерживает высоту тока If2 разряда на некритичном уровне. Ток If2 разряда предпочтительно ограничивается значением, которое исключает выход из строя модуля ТМ2.

Для того, чтобы реализовать описанную функцию ограничения тока с помощью индуктивного элемента I1, индуктивность L1 индуктивного элемента I1 предпочтительно по меньшей мере в пять раз, особенно предпочтительно по меньшей мере в десять раз, больше, чем сумма действующих в двух частичных модулях паразитных индуктивностей Lp1 и Lp2. Таким образом, предпочтительно:

L1>5⋅Lp1 при Lp1≈Lp2.

Ввиду соединительной линии V5, наряду с током If2 разряда, может также возникнуть ток If3 разряда, посредством которого конденсатор С2 разряжается через частичный модуль TM1. Ток If3 разряда может протекать через сопротивление R2 и через соединительную линию V5 к частичному модулю TM1 и через обе соединительные линии V3 и V4 вновь возвращаться к частичному модулю ТМ2. Для того чтобы обеспечить достаточное ограничение тока If3 разряда, оба омических сопротивления R1 и R2 предпочтительно выбираются такого размера, что величина омического сопротивления Rges между обоими конденсаторами C1 и C2 - то есть, сумма обоих омических сопротивлений R1 и R2 - по меньшей мере на множитель 10⁵ больше, чем величина импеданса индуктивного элемента I1 при сетевой частоте, которая обычно составляет 50 или 60 Гц. Таким образом:

Rges=R1+R2>10⁵*|2*π*50 Гц *L1| или

Rges>10⁵*|2π⋅*50 Гц ⋅*5*Lp1|.

Таким образом, оба омических сопротивления R1 и R2, а также индуктивный элемент I1 служат для ограничения тока разряда между частичными модулями, если один из частичных модулей вышел из строя и электрически представляет собой короткое замыкание.

Фиг. 4 показывает пример выполнения для суб-модуля SB, который оснащен двумя индуктивными элементами I1 и I2, которые совместно служат для ограничения тока в случае выхода из строя одного их частичных модулей. В примере выполнения согласно фиг.4 один индуктивный элемент I1 расположен в гальванической соединительной линии V1 между первым выводом А1 частичного модуля TM1 и первым выводом SB1 суб-модуля SB, и второй индуктивный элемент I2 расположен в гальванической соединительной линии V2 между первым выводом А1 частичного модуля TM2 и первым выводом SB1 суб-модуля SB.

Оба индуктивных элемента I1 и I2 уменьшают ток разряда работоспособного частичного модуля в случае выхода из строя другого неисправного частичного модуля, как уже было объяснено выше подробно со ссылкой на фиг. 3. Приведенные выше утверждения, относящиеся к фиг. 3, также соответственно справедливы для суб-модуля в соответствии с фиг. 4.

Расположение индуктивного элемента в каждой соответствующей соединительной линии между первым выводом А1 частичного модуля каждого частичного модуля и первым выводом SB1 суб-модуля является особенно предпочтительным, если суб-модуль SB оснащен не только двумя частичными модулями TM1 и TM2, но и дополнительными частичными модулями или множеством частичных модулей. Расположение индуктивного элемента в каждой соединительной линии между первым выводом А1 частичного модуля и первым выводом суб-модуля всегда гарантирует, что в случае выхода из строя одного из частичных модулей ток разряда остальных частичных модулей ограничивается посредством по меньшей мере двух индуктивных элементов.

Фиг. 5 показывает еще один пример выполнения соответствующего изобретению суб-модуля SB, который оснащен двумя индуктивными элементами I1 и I2 для ограничения тока в случае неисправности. В отличие от примера выполнения, показанного на фиг. 4, в суб-модуле SB согласно фиг. 5 расположение обоих индуктивных элементов I1 и I2 выбрано по-другому. Можно видеть, что оба индуктивных элемента I1 и I2 расположены не в гальванических соединительных линиях V1 и V2 между обоими первыми выводами А1 обоих частичных модулей TM1 и ТМ2 и первым выводом SB1 суб-модуля, а вместо этого в соединительных линиях V3 и V4 , которые устанавливают соединение между вторыми выводами А2 частичного модуля и вторым выводом вывод SB2 суб-модуля. Относительно способа функционирования обоих индуктивных элементов I1 и I2 можно сослаться на приведенное выше описание в связи с обоими индуктивными элементами I1 и I2 согласно фиг. 4 или индуктивным элементом I1 согласно фиг. 3.

Расположение индуктивного элемента в каждой соответствующей соединительной линии между вторым выводом А2 частичного модуля каждого частичного модуля и вторым выводом SB2 суб-модуля особенно предпочтительно, если суб-модуль SB оснащен не только двумя частичными модулями TM1 и TM2, но и дополнительными частичными модулями или множеством частичных модулей. Расположение индуктивного элемента в каждой соединительной линии между вторым выводом А2 частичного модуля и вторым выводом SB2 суб-модуля всегда гарантирует, что в случае выхода из строя одного из частичных модулей ток разряда остальных частичных модулей ограничивается посредством по меньшей мере двух индуктивных элементов.

Фиг. 6 показывает вариант осуществления соответствующего изобретению суб-модуля SB, в котором каждая из гальванических соединительных линий V1, V2, V3 и V4, соответственно, снабжена индуктивным элементом I1, I2, I3 и I4 соответственно. Четыре индуктивных элемента I1-I4 служат для ограничения тока в случае отказа одного из частичных модулей, как это уже пояснялось выше в связи с фиг. 3-6.

Расположение индуктивного элемента в каждой соответствующей соединительной линии между первым выводом А1 частичного модуля каждого частичного модуля и первым выводом SB1 суб-модуля, а также в каждой соединительной линии между вторым выводом А2 частичного модуля каждого частичного модуля и вторым выводом SB2 суб-модуля является особенно предпочтительным, если суб-модуль SB оснащен не только двумя частичными модулями TM1 и TM2, но и дополнительными частичными модулями или множеством частичных модулей. Расположение двух индуктивных элементов на каждый частичный модуль гарантирует, что в случае выхода из строя одного из частичных модулей ток разряда остальных частичных модулей ограничивается посредством по меньшей мере четырех индуктивных элементов.

Фиг. 7 показывает пример выполнения суб-модуля SB, который пригоден для генерации биполярного выходного напряжения. Как можно видеть на фиг. 7, подключение обоих выводов SB1 и SB2 суб-модулей к первым и вторым выводам А1 и А2 частичных модулей TM1 и TM2 выбирается иначе, в результате чего обеспечивается возможность генерации положительного и отрицательного выходных напряжений модулей на обоих выводах SB1 и SB2 суб-модулей.

Предусмотренные в гальванических соединительных линиях V1-V4 индуктивные элементы I1-I4 служат для ограничения токов разряда, которые могут возникать в случае выхода из строя одного из частичных модулей; в связи с этим можно сослаться на приведенное выше описание.

В суб-модулях согласно фиг. 3-7 могут предусматриваться аварийные выключатели (например, в форме механических переключателей), с помощью которых суб-модули могут быть закорочены в случае неисправности; такие аварийные выключатели не показаны на чертежах для наглядности.

На фиг. 8 показано для примера возможное управление переключателями S1-S4 обоих частичных модулей ТМ1 и ТМ2, как детально показано на фиг. 3-7, в частности, на основе управления обоими первыми переключателями S1 и S3 обоих частичных подмодулей TM1 и ТМ2. Можно видеть, что суб-модуль SB оснащен собственной суб-модульной схемой 200 возбуждения, которая соединена с индуктивной развязкой как с первым переключателем S1 частичного модуля TM1, так и с первым переключателем S3 частичного модуля ТМ2. Собственная суб-модульная схема возбуждения обеспечивает возможность синхронного включения и выключения обоих первых переключателей S1 и S3, причем управление осуществляется с индуктивной развязкой. Индуктивная развязка основывается предпочтительно на скомпенсированных по току дросселях, которые показаны на фиг. 8 и обозначены ссылочными позициями 210. Скомпенсированные по току дроссели 210 предпочтительно имеют мягкий магнитный сердечник.

Управление обоими вторыми переключателями S2 и S4 обоих частичных модулей ТМ1 и TM2 может осуществляться с помощью соответствующей собственной суб-модульной схемы возбуждения.

Хотя изобретение подробно проиллюстрировано и описано на предпочтительных примерах выполнения, изобретение не ограничено раскрытыми примерами, и другие варианты могут быть получены на их основе специалистом в данной области без отклонения от объема защиты настоящего изобретения.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

10 многоуровневый инвертор

15 генератор

20 центральное устройство

21 линии

110 переключатель

120 переключатель

130 конденсатор

200 схема возбуждения

210 дроссели

А1 первый вывод частичного модуля

A2 второй вывод частичного модуля

A3 третий вывод частичного модуля

C1 конденсатор

C2 конденсатор

D индуктивность

G10a вывод напряжения

G10b вывод напряжения

11 индуктивный элемент

12 индуктивный элемент

13 индуктивный элемент

14 индуктивный элемент

If1 ток разряда

If2 ток разряда

If3 ток разряда

L1 индуктивность

Lp1 индуктивность

Lp2 индуктивность

RE1 последовательное соединение

R11 внешний вывод последовательного соединения R1

R12 внешний вывод последовательного соединения R2

RE2 последовательное соединение

R21 внешний вывод последовательного соединения R2

R22 внешний вывод последовательного соединения R2

RE3 последовательное соединение

R31 внешний вывод последовательного соединения R3

R32 внешний вывод последовательного соединения R3

R1 омическое сопротивление

R2 омическое сопротивление

SB суб-модуль

SB1 первый вывод суб-модуля

SB2 второй вывод суб-модуля

S1 первый переключатель

S2 второй переключатель

S3 первый переключатель

S4 второй переключатель

TM1 частичный модуль

ТМ2 частичный модуль

Uс1 конденсаторное напряжение

Uc2 конденсаторное напряжение

V1 соединительная линия

V2 соединительная линия

V3 соединительная линия

V4 соединительная линия

V5 соединительная линия

W10 выводы переменного напряжения

Z промежуточный вывод.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в многоуровневом инверторе. Техническим результатом является исключение разрушения суб-модулей при возникновении тока короткого замыкания в нагрузке. Многоуровневый инвертор (10) содержит множество последовательно соединенных суб-модулей (SB), которые, соответственно, имеют по меньшей мере первый переключатель, второй переключатель и конденсатор и в фазах разряда посредством конденсатора выдают ток вовне, а в фазах заряда получают ток для зарядки конденсатора. По меньшей мере один из суб-модулей (SB) имеет два гальванически соединенных друг с другом частичных модуля (ТМ1, ТМ2) или образован двумя гальванически соединенными друг с другом частичными модулями (TM1, ТМ2), которые имеют, соответственно, первый переключатель (S1), второй переключатель (S2) и конденсатор (C1, C2), а также первый и второй вывод (A1, А2) частичного модуля, и гальваническое соединение (VI, V2, V3, V4) между двумя частичными модулями (ТМ1, ТМ2) содержит по меньшей мере один индуктивный элемент (I1, I2, I3, I4). 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Многоуровневый инвертор (10) с множеством последовательно соединенных суб-модулей (SB), которые, соответственно, имеют по меньшей мере первый переключатель, второй переключатель и конденсатор и в фазах разряда посредством конденсатора выдают ток вовне, а в фазах заряда получают ток для зарядки конденсатора,

отличающийся тем, что

- по меньшей мере один из суб-модулей (SB) имеет два гальванически соединенных друг с другом частичных модуля (ТМ1, ТМ2) или образован двумя гальванически соединенными друг с другом частичными модулями (TM1, ТМ2), которые имеют, соответственно, первый переключатель (S1), второй переключатель (S2) и конденсатор (C1, C2), а также первый и второй вывод (A1, А2) частичного модуля, и

- гальваническое соединение (VI, V2, V3, V4) между двумя частичными модулями (ТМ1, ТМ2) содержит по меньшей мере один индуктивный элемент (I1, I2, I3, I4), причём

индуктивность (LI) индуктивного элемента (I1, I2, I3, I4) или сумма индуктивностей индуктивных элементов (I1, I2, I3, I4) в гальваническом соединении (VI, V2, V3, V4) между двумя частичными модулями (TM1, TM2) по меньшей мере в пять раз, предпочтительно по меньшей мере в десять раз, больше, чем сумма паразитных индуктивностей (Lp1, Lp2), действующих в двух частичных модулях (TM1, TM2).

2. Многоуровневый инвертор (10) по п. 1, отличающийся тем, что

- первые выводы (А1) частичных модулей (TM1, ТМ2) гальванически соединены, соответственно, с первым выводом (SB1) суб-модуля (SB) и соединены друг с другом, и

- вторые выводы (А2) частичных модулей гальванически соединены, соответственно, со вторым выводом (SB2) суб-модуля (SB) и соединены друг с другом,

- причем гальваническое соединение (VI, V2, V3, V4) между обоими первыми выводами (А1) частичных модулей (A1) и/или между обоими вторыми выводами (А2) частичных модулей (А2) содержит по меньшей мере один индуктивный элемент (I1, I2, I3, I4).

3. Многоуровневый инвертор (10) по п. 2, отличающийся тем, что

индуктивность (LI) индуктивного элемента (I1, I2, I3, I4) или сумма индуктивностей индуктивных элементов (I1, I2, I3, I4) в гальваническом соединении (VI, V2, V3, V4) между обоими первыми выводами (А1) частичных модулей и/или между обоими вторыми выводами (А2) частичных модулей по меньшей мере в пять раз, предпочтительно по меньшей мере в десять раз, больше, чем сумма паразитных индуктивностей (Lp1, Lp2), действующих в двух частичных модулях (TM1, TM2).

4. Многоуровневый инвертор (10) по п. 1, отличающийся тем, что

- частичные модули (TM1, TM2) имеют третий вывод (А3) частичного модуля и

- конденсаторы (C1, C2) частичных модулей (TM1, TM2) через эти третьи выводы (A3) частичных модулей гальванически соединены между собой с высоким омическим сопротивлением и/или с высокой индуктивностью.

5. Многоуровневый инвертор (10) по п. 4, отличающийся тем, что

величина омического сопротивления между конденсаторами (С1, С2) двух частичных модулей (ТМ1, ТМ2) по меньшей мере на множитель 10⁵ больше, чем величина импеданса индуктивного элемента (I1, I2, I3, I4) при 50 Гц, или сумма величин импедансов индуктивных элементов (I1, I2, I3, I4) при 50 Гц в гальваническом(их) соединении(ях) (VI, V2, V3, V4) между двумя частичными модулями (ТМ1, ТМ2).

6. Многоуровневый инвертор (10) по п. 1, отличающийся тем, что

- по меньшей мере один суб-модуль (SB), в дополнение к двум частичным модулям (ТМ1, ТМ2), имеет дополнительные частичные модули, которые имеют, соответственно, первый переключатель, второй переключатель и конденсатор, а также первый и второй вывод (А1, А2) частичного модуля,

- первые выводы (А1) дополнительных частичных модулей, соответственно, гальванически соединены с первым выводом (SB1) суб-модуля (SB), и

- вторые выводы (A2) дополнительных частичных модулей, соответственно, гальванически соединены со вторым выводом (SB2) суб-модуля (SB),

причем гальваническое соединение между первыми выводами (A1) дополнительных частичных модулей и первым выводом (SB1) суб-модуля и/или гальваническое соединение между вторыми выводами (A2) дополнительных частичных модулей и вторым выводом (SB2) суб-модуля содержит, каждое, по меньшей мере один индуктивный элемент (I1, I2, I3, I4).

7. Многоуровневый инвертор (10) по п. 1, отличающийся тем, что

- по меньшей мере один суб-модуль (SB) имеет множество частичных модулей (TM1, TM2), которые, соответственно, имеют первый переключатель, второй переключатель и конденсатор, а также первый и второй вывод частичного модуля,

- первые выводы (A1) частичных модулей (TM1, TM2), соответственно, гальванически соединены с первым выводом (SB1) суб-модуля (SB), и

- вторые выводы (A2) частичных модулей (TM1, TM2), соответственно, гальванически соединены со вторым выводом (SB2) суб-модуля (SB),

- причем гальваническое соединение между первым выводами (A1) частичных модулей (TM1, TM2) и первым выводом (SB1) суб-модуля и гальваническое соединение между вторыми выводами (A2) частичных модулей и вторым выводом (SB2) суб-модуля, соответственно, содержит по меньшей мере один индуктивный элемент (I1, I2, I3, I4).

8. Многоуровневый инвертор (10) по п. 7, отличающийся тем, что

- конденсаторы (C1, C2) частичных модулей (ТМ1, ТМ2) гальванически соединены с высоким омическим сопротивлением, и

- величина омического сопротивления между конденсаторами, соответственно, двух соединенных друг с другом частичных модулей (ТМ1, ТМ2), соответственно, по меньшей мере на множитель 10⁵ больше, чем сумма величин импедансов при 50 Гц, которые образуют те индуктивные элементы (I1, I2, I3, I4), которые расположены в гальванических соединениях между этими двумя частичными модулями (ТМ1, ТМ2) и выводами (SB1, SB2) суб-модулей.

9. Многоуровневый инвертор (10) по любому из пп. 6-8, отличающийся тем, что сумма индуктивностей индуктивных элементов (I1, I2, I3, I4) в гальваническом соединении между первым выводом (А1) частичного модуля и первым выводом (SB1) суб-модуля и в гальваническом соединении между вторым выводом (A2) частичного модуля и вторым выводом (SB2) суб-модуля для каждого из частичных модулей (TM1, TM2), соответственно, по меньшей мере в пять раз, предпочтительно по меньшей мере в десять раз, больше, чем сумма действующих в этих частичных модулях (TM1, TM2) паразитных индуктивностей (Lp1, Lp2).

10. Многоуровневый инвертор (10) по п. 1, отличающийся тем, что один или более индуктивных элементов (I1, I2, I3, I4) образованы, соответственно, отдельным элементом, в частности отдельным дросселем.

11. Многоуровневый инвертор (10) по п. 1, отличающийся тем, что один или более индуктивных элементов (I1, I2, I3, I4) образованы паразитными индуктивностями в гальванических соединениях между частичными модулями (TM1, TM2).

12. Многоуровневый инвертор (10) по п. 1, отличающийся тем, что управление переключателями частичных модулей (TM1, TM2) осуществляется с индуктивной развязкой.

13. Многоуровневый инвертор (10) по п. 12, отличающийся тем, что

- по меньшей мере один суб-модуль (SB) или все суб-модули, соответственно, имеют первую собственную суб-модульную возбуждающую схему (200) и вторую собственную суб-модульную возбуждающую схему, и

- первые переключатели (S1, S2) частичных модулей (TM1, TM2) управляются с индуктивной развязкой первой собственной суб-модульной возбуждающей схемой (200), и вторые переключатели частичных модулей (TM1, TM2) управляются с индуктивной развязкой второй собственной суб-модульной возбуждающей схемой.

14. Cуб-модуль для многоуровневого инвертора (10), в частности многоуровневого инвертора (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что

- суб-модуль (SB) имеет два гальванически соединенных друг с другом частичных модуля (TM1, TM2) или образован двумя гальванически соединенными друг с другом частичными модулями (TM1, TM2), которые, соответственно, имеют первый переключатель, второй переключатель и конденсатор, а также первый и второй вывод частичного модуля, и

- гальваническое соединение между двумя частичными модулями (TM1, TM2) включает в себя по меньшей мере один индуктивный элемент (I1, I2, I3, I4), причём

индуктивность (LI) индуктивного элемента (I1, I2, I3, I4) или сумма индуктивностей индуктивных элементов (I1, I2, I3, I4) в гальваническом соединении (VI, V2, V3, V4) между двумя частичными модулями (TM1, TM2) по меньшей мере в пять раз, предпочтительно по меньшей мере в десять раз, больше, чем сумма паразитных индуктивностей (Lp1, Lp2), действующих в двух частичных модулях (TM1, TM2).