Способ запирания выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии
Использование: в области электротехники. Технический результат - снижение нагрузки по напряжению. Изобретение относится к способу запирания выпрямителя (2) переменного тока с распределенными накопителями (CSM) энергии с по меньшей мере двумя модулями (41, 42, 43) фаз, которые имеют соответствующие верхнюю и нижнюю ветвь (Р1, Р2, Р3, N1, N2, N3) вентилей, которые имеют соответствующее множество электрически последовательно соединенных двухполюсных подмодулей (SM1, SM2,…, SMn), которые имеют соответствующий униполярный накопительный конденсатор (CSM), с которым электрически параллельно включена схема последовательного соединения из двух отключаемых полупроводниковых переключателей (S1, S2) c соответствующим антипараллельно включенным диодом (D1, D2). В соответствии с изобретением подмодули (SM1, SM2,…, SMn) верхней и нижней ветви (Р1, Р2, Р3, N1, N2, N3) вентилей модуля (41, 42, 43) фазы выпрямителя (2) переменного тока управляются каскадно по времени для переключения в состояние переключения III. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.
Изобретение относится к способу запирания выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии с по меньшей мере двумя модулями фаз, которые имеют соответствующие верхнюю и нижнюю ветвь вентилей, которые имеют соответствующее множество электрически последовательно соединенных двухполюсных подмодулей, которые имеют соответствующий униполярный накопительный конденсатор, с которым электрически параллельно включена схема последовательного соединения из двух отключаемых полупроводниковых переключателей с соответствующим антипараллельно включенным диодом.
Выпрямитель переменного тока с распределенными накопителями энергии известен из DE 101 03 031 А1 и схематично представлен на фиг.1. Согласно этому представлению этот выпрямитель 2 переменного тока имеет три модуля 41, 42 и 43 фаз, которые имеют соответственно верхнюю и нижнюю ветвь P1 и N1, или P2 и N2, или P3 и N3 вентилей. Эти обе ветви P1, N1, или P2, N2, или P3, N3 вентилей каждого модуля 41, 42 и 43 фаз включены с образованием ветви моста. Точка соединения верхней и нижней ветви P1 и N1, или P2 и N2, или P3 и N3 вентилей выведена как вывод L1, L2, L3 стороны переменного напряжения модуля 41, 42 и 43 фаз. К этим выводам L1, L2, L3 стороны переменного напряжения подключен трехфазный двигатель 6 или сеть электроснабжения. Модули 41, 42 и 43 фаз включены электрически параллельно друг к другу и к непоказанному устройству питания постоянного напряжения, которое подключено к выводам P0 и N0 постоянного напряжения выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии. Между этими выводами P0 и N0 постоянного напряжения существует сформированное постоянное напряжение Udc.
Из этого представления выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии также можно видеть, что каждая ветвь P1, N1, P2, N2, P3, N3 вентилей содержит множество электрически последовательно соединенных двухполюсных подмодулей SM1, SM2,…, SMn. Каждый двухполюсный подмодуль SM1, SM2,…, SMn содержит согласно представлению подмодуля SM1 униполярный накопительный конденсатор CSM, два отключаемых полупроводниковых переключателя S1 и S2 и два диода D1 и D2. Оба отключаемых полупроводниковых переключателя S1 и S2 включены электрически последовательно, и эта схема последовательного соединения включена электрически параллельно к униполярному накопительному конденсатору CSM. Антипараллельно к отключаемым полупроводниковым переключателям S1 и S2 включен соответствующий диод D1 или D2. Эти диоды D1 и D2 образуют соответственно безынерционный диод. Точка соединения обоих отключаемых полупроводниковых переключателей S1 и S2 выведена как вывод Х2 модуля. Отрицательный вывод униполярного накопительного конденсатора CSM образует второй вывод Х1 модуля. Если униполярный накопительный конденсатор CSM заряжен, то на нем падает конденсаторное напряжение USM.
Эти конденсаторные напряжения USM1, USM2, …, USMn двухполюсных подсистем SM1, SM2,…, SMn каждой ветви P1, N1, P2, N2, P3, N3 вентилей суммируются соответственно в вентильные напряжения UZP1, UZN1, UZP2, UZN2, UZP3, UZN3. Суммирование соответствующих двух вентильных напряжений UZP1, UZN1, или UZP2, UZN2, или UZP3, UZN3 модуля 41, 42 или 43 фазы дает постоянное напряжение Udc, существующее между выводами P0 и N0 постоянного напряжения.
За счет выполнения каждой двухполюсной подсистемы SM выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии можно каждым подмодулем SM управлять в трех состояниях переключения, а именно в состояниях переключения I, II и III. В состоянии переключения I отключаемый полупроводниковый переключатель S1 находится в состоянии включения, а отключаемый полупроводниковый переключатель S2 - в состоянии выключения. При этом на выводах Х2 и Х1 подмодуля SM существует в качестве клеммного напряжения UX2X1 конденсаторное напряжение USM независимо от направления протекающего тока iZ ветви. В состоянии переключения II отключаемый полупроводниковый переключатель S1 находится в состоянии выключения, а отключаемый полупроводниковый переключатель S2 - в состоянии включения, при этом на выводах Х2 и Х1 подмодуля SM существует клеммное напряжение UX2X1 с амплитудой, равной нулю, также независимо от направления протекающего тока iZ ветви. В состоянии переключения III оба отключаемых полупроводниковых переключателя S1 и S2 находятся в состоянии выключения. Амплитуда клеммного напряжения UX2X1 каждого подмодуля SM в состоянии переключения III зависит от направления протекающего тока iZ ветви. Если ток ветви больше нуля, то амплитуда клеммного напряжения UX2X1 подмодуля SM соответствует амплитуде конденсаторного напряжения USM этого подмодуля SM. Если, напротив, ток ветви меньше нуля, то амплитуда клеммного напряжения равна нулю. Если не протекает никакой ток iZ ветви и деление напряжения через отключаемые полупроводниковые переключатели S1 и S2 подмодуля SM является симметричным, то амплитуда клеммного напряжения UX2X1 соответствует половинной амплитуде конденсаторного напряжения USM подмодуля SM.
Согласно DE 101 03 031 А1 только состояния переключения I и II подмодуля SM выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии применяются в регулярном режиме работы этого выпрямителя 2 переменного тока. Состояние переключения III применяется только в случаях неисправности, например короткого замыкания на его выводах P0 и N0 постоянного напряжения для целенаправленного холостого хода (прерывания режима работы выпрямителя 2 переменного тока) и для пренебрежимо коротких времен задержки отключаемых полупроводниковых переключателей S1 и S2 подмодуля SM при смене состояния переключения.
Общеизвестно, что так называемое импульсное запирание активируется, чтобы в критических состояниях функционирования, как, например, в случае сверхтока, сверхнапряжения, отказа управления, отказа регулирования, отказа коммуникации между вентилем выпрямителя переменного тока и модулятором …, выпрямитель переменного тока отключить таким образом, чтобы он после задействования импульсного запирания находился в безопасном состоянии. Согласно DE 10 2004 043 877 A1 это импульсное запирание реализуется таким образом, что все вентили переменного тока в автономном вентильном преобразователе (инверторе) запираются. Это осуществляется предпочтительным образом путем прерывания напряжения питания, отводимого от внешнего напряжения, для оптронов соответствующих схем управления.
Если в выпрямителе 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии инициируется импульсное запирание, то все сигналы управления отключаемых полупроводниковых переключателей S1 и S2 всех подмодулей SM1, SM2, …, SMn всех ветвей P1, N1, P2, N2, P3, N3 вентилей модулей 41, 42 и 43 фаз выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии по фиг.1 одновременно запираются.
На фиг.2A для выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии по фиг.1, в целях наглядности, более подробно показан только модуль 41 фазы. Подмодули SM1,…, SM4 верхней и нижней ветви P1 и N1 вентилей этого модуля 41 фазы показывают распределение состояний переключения во время нормального функционирования этого выпрямителя 2 переменного тока. Из четырех подмодулей SM1,…, SM4 верхней ветви P1 вентилей подмодули SM2-SM4 находятся в состоянии переключения I, а подмодуль SM1 - в состоянии переключения II. Из подмодулей SM1,…, SM4 нижней ветви N1 вентилей подмодули SM1 - SM3 находятся в состоянии переключения II, а подмодуль SM4 - в состоянии переключения I. Таким образом, для постоянного напряжения Udc, существующего на выводах P0 и N0 постоянного напряжения выпрямителя 2 переменного тока, справедливо соотношение по амплитуде Udc=4·USM. Для напряжения UZP верхней ветви P1 вентилей относительно виртуальной средней точки справедливо соотношение UZP=3·USM, в то время как для напряжения UZN нижней ветви N1 вентилей справедливо соотношение UZN=1·USM.
После того как импульсное запирание инициировано, все подмодули SM1-SM4 верхней и нижней ветви P1 и N1 вентилей переводятся в состояние переключения III. Модуль 41 фазы с подмодулями SM1 - SM4 в состоянии переключения III показан на фиг.2B. Установка импульсного запирания может, с одной стороны, вызываться возникающей неисправностью (например, сверхтоком) от непоказанного подробно устройства управления и регулирования выпрямителя 2 переменного тока, а с другой стороны, независимо также может вызываться подмодулями SM1-SM4 (помеха или обрыв связи, сверхнапряжение). Так как момент времени установки импульсного запирания невозможно предсказать, напряжения uZP и uZN или их изменения duZP/dt и duZN/dt на ветвях P1 и N1 вентилей модуля 41 фазы определяются только направлением соответствующего тока iZP1 и iZN1 ветви при установке импульсного запирания.
В предположении, что сумма обоих напряжений uZP и uZN ветвей фазы 41, или 42, или 43 в нормальном режиме работы в среднем соответствует постоянному напряжению Udc, получаются следующие приведенные в таблице напряжения или изменения напряжений после установки импульсного запирания.
| Направление токов iZP1/iZN1 ветви | Положит./ положит. |
Положит./ Отриц. |
Отриц./ полож. |
Отриц./отриц. |
| uZP | Udc | Udc | 0 | 0 |
| uZN | Udc | 0 | Udc | 0 |
| uZP+uZN | 2Udc | Udc | Udc | 0 |
| Δ(uZP+uZN)* | +Udc | 0 | 0 | -Udc |
| *Допущение: средняя сумма напряжений ветви перед импульсным запиранием (uZP+uZN)=Udc |
Кроме того, принимается, что конденсаторные напряжения USM каждого подмодуля SM в среднем имеют значение USM=Udc/nsub, причем nsub представляет число последовательно включенных подмодулей SM1, …, SMn на каждую ветвь P1, N1, P2, N2, P3, N3 вентилей выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии.
Из этой таблицы можно видеть, что в отношении изменения напряжения в ветвях фазы при установке импульсного запирания возникают два сценария наихудшего случая. Максимальное изменение напряжения суммы напряжений uZP и uZN ветвей модуля 41, 42 и 43 фазы составляет ± Udc и проявляется, когда оба тока iZP1 и iZN1 ветви модуля 4 фазы имеют одинаковые знаки. Это состояние остается так долго, пока токи ветви не будут переключены в нуль.
За счет включения состояния переключения III в подмодулях SM2, SM3, SM4 верхней ветви P1 вентилей и подмодуле SM4 нижней ветви N1 вентилей модуля 41 фазы происходит коммутация отключаемого полупроводникового переключателя S1 на диод D2 названного подмодуля, когда перед установкой импульсного запирания сумма напряжений uZP и uZN ветвей модуля 41 фазы в среднем равна постоянному напряжению Udc между выводами P0 и N0 постоянного напряжения, и токи iZP и iZN ветвей имеют отрицательный знак. В подмодуле SM1 верхней ветви P1 вентилей и подмодулях SM1, SM2, SM3 нижней ветви N1 вентилей модуля 41 фазы при включении состояния переключения III не происходит никаких коммутаций, когда перед установкой импульсного запирания сумма напряжений uZP и uZN ветвей модуля 41 фазы в среднем равна постоянному напряжению Udc и токи iZP и iZN ветвей имеют отрицательный знак, так как перед включением состояния переключения III диод D2 проводил соответствующий ток ветви.
Напротив, за счет включения состояния переключения III в подмодуле SM1 верхней ветви P1 вентилей и подмодулях SM1, SM2, SM3 нижней ветви N1 вентилей модуля 41 фазы происходят коммутации отключаемого полупроводникового переключателя S2 на диод D1 названных подмодулей, когда перед установкой импульсного запирания сумма напряжений uZP и uZN ветвей модуля 41 фазы в среднем равна постоянному напряжению Udc между выводами P0 и N0 постоянного напряжения и токи iZP и iZN ветвей имеют положительный знак. В подмодулях SM2, SM3, SM4 верхней ветви P1 вентилей и подмодуле SM4 нижней ветви N1 вентилей модуля 41 фазы при включении состояния переключения III не происходит никаких коммутаций, когда перед установкой импульсного запирания сумма напряжений uZP и uZN ветвей модуля 41 фазы в среднем равна постоянному напряжению Udc и токи iZP и iZN ветвей имеют отрицательный знак, так как перед включением состояния переключения III диод D1 проводил соответствующий ток ветви.
Для каждого изменения напряжения, которое возникает во время процесса коммутации, на каждый подмодуль SM принимается скорость изменения напряжения отключаемого полупроводникового переключателя S1 или S2, которая может составлять, например, 4 кВ/мкс. Тогда получается скорость изменения напряжения через обе ветви Р1 и N1 вентилей модуля 41 фазы, равная 16 кВ/мкс, так как четыре подмодуля SM модуля 41 фазы перед установкой импульсного запирания находятся в состоянии переключения I. Чем больше подмодулей SM применяется на каждую ветвь P1, N1, P2, N2, P3, N3 вентилей выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии, тем выше значение изменения напряжения на каждый модуль 41, 42 и 43 фазы.
Чтобы получить по возможности синусоидальную характеристику выходного напряжения uL10, или uL20, или uL30, на выходе L1, или L2, или L3 модуля 41, или 42, или 43 фазы выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии, применяются, например, двенадцать или более подмодулей SM на ветвь P1, N1, P2, N2, P3, N3 вентилей. При двенадцати подмодулях SM на ветвь P1, N1, P2, N2, P3, N3 вентилей скорость изменения напряжения составляет уже 48 кВ/мкс.
Если постоянное напряжение Udc, приложенное к выводам P0 и N0 постоянного напряжения выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии, принимается в качестве постоянного, то названная скорость изменения напряжения воздействует как на дроссель LZ ветви, так и на паразитный дроссель Ldc в цепи постоянного тока. Эта нагрузка напряжением дросселя LZ ветви приводит к большим конструктивным габаритам из-за применения усиленной изоляции.
Относительно выходных напряжений uL10, uL20, uL30 выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии по сравнению с внутренними для выпрямителя тока напряжениями uZP и uZN возникают другие условия наихудшего случая. На основе фиг.3A и 3B более подробно поясняется наихудший случай относительно изменений напряжения в напряжениях uL10 фазы модуля 41 фазы выпрямителя 2 переменного тока по фиг.1.
Согласно распределению состояний переключения подмодулей SM1-SM4 ветвей P1 и N1 вентилей этого модуля 41 фазы выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии по фиг.1, подмодули SM1-SM4 верхней ветви P1 вентилей все находятся в состоянии переключения II. В противоположность этому подмодули SM1-SM4 нижней ветви N1 вентилей все находятся в состоянии переключения I. Напряжение uL10 фазы, которое равно половинной разности напряжений uZP и uZN вентилей, составляет Udc/2. Если теперь вводится импульсное запирание, то получается зависимое от мгновенного направления тока для токов iZP1 и iZN1 ветви изменение напряжения uL10 фазы. Обзор напряжений или изменений напряжения uL10 фазы для ветвей P и N вентилей модуля 4 фазы после установки импульсного запирания приведен в следующей таблице:
| Импульсное запирание | Направление токов iZP1/iZN1 ветви | Положит./ положит. |
Положит./ Отриц. |
Отриц./ полож. |
Отриц./ отриц. |
| Перед | uZP | 0 | 0 | 0 | 0 |
| uZN | Udc | Udc | Udc | Udc | |
| uL10 | Udc/2 | Udc/2 | Udc/2 | Udc/2 | |
| После | uZP | Udc | Udc | 0 | 0 |
| uZN | Udc | 0 | Udc | 0 | |
| uL10 | 0 | -Udc/2 | Udc/2 | 0 | |
| ΔuL10 | -Udc/2 | -Udc | 0 | -Udc/2 | |
| Δ(uZP+uZN)* | Udc | 0 | 0 | -Udc | |
| *Допущение: конденсаторное напряжение подмодуля USM,x=Udc/nsub. |
Наихудший случай относительно изменения напряжения в напряжении uL10, или uL20, или uL30 фазы после установки импульсного запирания возникает тогда, когда перед импульсным запиранием имеются следующие условия:
- все подмодули ветви вентилей, например ветви N1 вентилей модуля фазы, находятся в состоянии переключения I,
- все подмодули соответствующей ветви вентилей, например ветви Р1 вентилей модуля фазы, находятся в состоянии переключения II,
- ток ветви, например ток iZN ветви в ветви вентилей с подмодулями, находящимися в состоянии переключения I, имеет отрицательный знак, и
- ток ветви, например ток iZP ветви в ветви вентилей с подмодулями, находящимися в состоянии переключения II, имеет положительный знак.
При этих условиях напряжение uL10 фазы перескакивает от Udc/2 на -Udc/2 или от -Udc/2 на Udc/2. Изменение напряжения uL10 фазы составляет таким образом при этих условиях ± Udc. Если исходить из того, что в каждом подмодуле SM1-SM4 каждой ветви P1 и N1 вентилей модуля 41 фазы на основе коммутации отключаемых полупроводниковых переключателей S1 или S2 на диод D2 или D1 устанавливается скорость изменения напряжения, например 4 кВ/мкс на каждом подмодуле SM модуля 41 фазы, то для скорости изменения напряжения uL10/dt, или uL20/dt, или uL30/dt получается значение 16 кВ/мкс при четырех подмодулях SM на ветвь P и N вентилей и значение 48 кВ/мкс при двенадцати подмодулях SM на ветвь P и N вентилей модуля 41 фазы.
Это означает для связанного напряжения uL1L2 в наихудшем случае, при котором два напряжения фазы перескакивают в противоположном направлении на ±Udc, что на выходном импедансе (обмотке статора подключенного трехфазного двигателя 6) устанавливается изменение напряжения ΔuL1L2=2Udc, а также скорость изменения напряжения 32 кВ/мкс, когда применяются четыре подмодуля SM на ветвь P и N вентилей модуля 41 фазы, или 96 кВ/мкс, когда применяются двенадцать подмодулей SM на ветвь P и N вентилей модуля 41 фазы. Для того чтобы питание постоянным напряжением на стороне сети и трехфазный двигатель 6, подключенный на стороне нагрузки, при возникновении наихудших случаев не слишком подвергались негативным воздействиям, эти компоненты должны рассчитываться на намного более высокую скорость изменения напряжения, что обуславливает дополнительные затраты заметной величины.
В основе изобретения лежит задача создать способ запирания выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии, при котором для наихудших случаев нагрузка напряжения значительно снижается.
Эта задача в соответствии с изобретением решается этапами способа по пункту 1 формулы изобретения.
За счет того что не все подмодули выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии одновременно, а во времени каскадно управляются для переключения в состояние III, на каждом временном каскаде проявляется только нагрузка по напряжению соответственно скорости изменения напряжения одного подмодуля. Число временных каскадов соответствует числу подмодулей ветви вентилей выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии. Это означает, что на каждый временной каскад всегда только один подмодуль верхней и/или нижней ветви вентилей соответствующего модуля фазы управляется для переключения из текущего состояния переключения I или II в состояние переключения III. При четырех подмодулях на ветвь вентилей выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии требуется четыре временных каскада, чтобы полностью реализовать установленное импульсное запирание.
Существенное преимущество этого соответствующего изобретению способа состоит в том, что нагрузка напряжения максимально соответствует скорости изменения напряжения двух подмодулей. Это снижение нагрузки по напряжению тем больше, чем больше подмодулей предусмотрено для каждой ветви вентилей выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии. Для того чтобы выходные напряжения фаз выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии были в максимальной степени синусоидальными (большое число ступенек), число применяемых подмодулей на ветвь вентилей должно составлять двенадцать и более.
То, управляются ли подмодули модуля фазы в последовательности от внешнего к внутреннему или от внутреннего к внешнему для переключения в состояние переключения III, не изменяет ничего в значении снижения нагрузки напряжения и интервала времени для реализации импульсного запирания.
В предпочтительном выполнении способа минимальный интервал времени между двумя временными каскадами равен времени задержки выключения отключаемого полупроводникового переключателя подмодуля. Тем самым гарантируется, что по истечении минимального временного интервала двух следующих друг за другом временных каскадов один подмодуль верхней и нижней ветви вентилей каждого модуля фазы выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии завершает смену состояния переключения.
Для дополнительного разъяснения изобретения ссылки даются на чертежи, с помощью которых наглядно представлен способ, соответствующий изобретению.
Фиг.1 - эквивалентная схема известного выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии,
Фиг.2A, 2B - распределения состояний переключения подмодулей модуля фазы выпрямителя переменного тока согласно фиг.1 перед и после установки импульсного запирания,
Фиг.3A, 3B - распределения состояний переключения подмодулей модуля фазы выпрямителя переменного тока согласно фиг.1 перед и после установки импульсного запирания,
Фиг.4A-4E - соответствующие распределения состояний переключения подмодулей модуля фазы выпрямителя переменного тока согласно фиг.1, которые возникают посредством соответствующего изобретению способа.
С помощью фиг.4A-4E далее более подробно поясняется соответствующий изобретению способ для запирания выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии согласно фиг.1. Согласно соответствующему изобретению способу после установки импульсного запирания подмодули SM1-SM4 верхней и нижней ветви P1 и N1 вентилей каждого модуля 41, 42 и 43 фазы выпрямителя 2 переменного тока управляются не одновременно для переключения в состояние переключения III, а каскадно по времени. Это распределение по группам обработки устанавливаемого импульсного запирания представлено четырьмя распределениями состояний переключения подмодулей SM1-SM4 ветвей P1 и N1 вентилей модуля 41 фазы, причем стрелки между соответствующими двумя распределениями состояний переключения модуля 41 фазы согласно фиг.4B-4E соответственно символизируют промежуток времени Δt для каскадной по времени или распределенной по группам обработки установленного импульсного запирания.
На фиг.4A представлен модуль 41 фазы выпрямителя 2 переменного тока по фиг.1 со случайным распределением состояний переключения подмодулей SM1-SM4 его верхней и нижней ветви P1 и N1 вентилей. Из подмодулей SM1-SM4 ветвей P1 и N1 вентилей модуля 41 фаз подмодули SM1 и SM2 находятся в состоянии переключения II, в то время как подмодули SM3 и SM4 находятся в состоянии переключения I. Если теперь устанавливается импульсное запирание, то на первом этапе в момент времени t1 (фиг.4B) соответствующий подмодуль SM1 верхней и нижней ветви P1 и N1 вентилей управляется для переключения в состояние переключения III. По прошествии заданного временного интервала Δt, то есть к моменту времени t2 (фиг.4C), соответствующий другой подмодуль SM2 верхней и нижней ветви P1 и N1 вентилей модуля 41 фазы управляется для переключения в состояние переключения III. По прошествии заданного временного интервала Δt, то есть к моменту времени t3 (фиг.4D), соответствующий другой подмодуль SM3 верхней и нижней ветви P1 и N1 вентилей модуля 41 фазы управляется для переключения в состояние переключения III. По прошествии заданного временного интервала Δt, то есть к моменту времени t4 (фиг.4E), соответствующий другой подмодуль SM4 верхней и нижней ветви P1 и N1 вентилей модуля 41 фазы управляется для переключения в состояние переключения III. Таким образом, к моменту времени t4 все подмодули SM1-SM4 каждой ветви P1, N1, P2, N2, P3, N3 вентилей выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии находятся в состоянии переключения III, посредством чего установленное импульсное запирание в соответствии с изобретением реализуется каскадным образом.
Как временное каскадирование между отдельными этапами способа (фиг.4B-4E) возникает соответствующий заданный временной интервал Δt, который предпочтительным образом соответствует так называемому времени задержки отключаемого полупроводникового переключателя S1 или S2 подмодуля SM. Это время задержки отключаемого полупроводникового переключателя S1 или S2 подмодуля SM является минимальным интервалом времени Δt, который может быть реализован. По прошествии соответствующего минимального интервала времени Δt смена состояния переключения подмодуля SM завершается. Тем самым гарантируется, что при каждой временной ступеньке каскадной обработки установленного импульсного запирания нагрузка напряжения соответствует максимально только скорости изменения напряжения двух подмодулей SM.
При скорости изменения напряжения, например, 4 кВ/мкс на подмодуль SM максимальная нагрузка du/dt на смену состояния переключения составляет всего лишь 8 кВ/мкс по сравнению с 16 кВ/мкс при обычной обработке импульсного запирания. Это означает, что соответствующий изобретению способ по меньшей мере наполовину снижает нагрузку по напряжению для напряжений внутри выпрямителя переменного тока и выходных напряжений фаз.
При этой соответствующей изобретению каскадной обработке установленного импульсного запирания не требуется одновременно управлять соответствующим подмодулем SM верхней и нижней ветви для переключения в состояние переключения III, а может также только один подмодуль SM на модуль 41, 42 и 43 фаз управляться для переключения в состояние переключения III. С какого подмодуля SM модуля 41, 42 и 43 фаз следует начинать, не имеет значения. Также последовательность, согласно которой подмодули SM верхней и нижней ветви P1, N1, P2, N2, P3, N3 вентилей или модуля 41, 42 и 43 фазы управляются для переключения в состояние переключения III, не имеет значения для снижения нагрузки du/dt.
Важным является, что между сменами состояния переключения соответствующего подмодуля SM верхней и нижней ветви P1, N1, P2, N2, P3, N3 вентилей или модуля 41, 42 и 43 фазы имеется временной сдвиг.
Если только один подмодуль SM модуля 41, 42 и 43 фазы выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии по фиг.1 при каскадной по времени обработке установленного импульсного запирания управляется для переключения в состояние переключения III, вместо четырех временных ступеней согласно фиг.4 требуется вдвое большее количество временных ступеней, а именно восемь временных ступеней, пока не будет реализовано установленное импульсное запирание. В соответствии с этим для реализации установленного импульсного запирания требуется значительно больше времени. При количестве подмодулей, равном двенадцати и более, на ветвь P1, N1, P2, N2, P3, N3 вентилей выпрямителя 2 переменного тока по фиг.1 в зависимости от случая применения должно проверяться, могут ли выполняться защитные функции, которые инициализируются импульсным запиранием.
Импульсное запирание устанавливается, чтобы в критических состояниях функционирования, например при сверхтоке, сверхнапряжении или неисправности управления отключить выпрямитель 2 переменного тока с распределенными накопителями CSM энергии таким образом, чтобы он после задействования импульсного запирания находился в безопасном состоянии. Из-за таких случаев неисправности для отключения выпрямителя 2 переменного тока в распоряжении не имеется неограниченного времени.
По этой причине применяется соответствующий изобретению способ, при котором на каждую временную ступень одновременно переключаются два подмодуля, а именно один подмодуль в верхней ветви Р1, Р2, Р3 вентилей и один подмодуль SM в нижней ветви N1, N2, N3 вентилей управляются для переключения в состояние переключения III.
1. Способ запирания выпрямителя (2) переменного тока с распределенными накопителями (CSM) энергии с по меньшей мере двумя модулями (41, 42, 43) фаз, которые имеют соответствующие верхнюю и нижнюю ветвь (Р1, Р2, Р3, N1, N2, N3) вентилей, которые имеют соответствующее множество электрически последовательно соединенных двухполюсных подмодулей (SM1, SM2,…, SMn), которые имеют соответствующий униполярный накопительный конденсатор (CSM), с которым электрически параллельно включена схема последовательного соединения из двух отключаемых полупроводниковых переключателей (S1, S2) c соответствующим антипараллельно включенным диодом (D1, D2), содержащий следующие этапы способа:
а) инициирование импульсного запирания на основе возникающей неисправности во время функционирования этого выпрямителя (2) переменного тока,
b) управление состоянием переключения двухполюсной подсистемы (SM1) каждой ветви (Р1, Р2, Р3, N1, N2, N3) вентилей для переключения в состояние переключения III после установленного импульсного запирания,
c) управление состоянием переключения другим подмодулем (SM2) каждой ветви (Р1, Р2, Р3, N1, N2, N3) вентилей для переключения в состояние переключения III по истечении заданного интервала времени (Δt) и
d) повторения этапа (с) до тех пор, пока все двухполюсные подмодули (SM1, SM2,…, SMn) каждой ветви (Р1, Р2, Р3, N1, N2, N3) вентилей не будут переключены в состояние переключения III.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что каскадное по времени управление переключением состояний двухполюсных подсистем (SM1, SM2,…, SMn) каждой ветви (Р1, Р2, Р3, N1, N2, N3) вентилей выпрямителя (2) переменного тока с распределенными накопителями (CSM) энергии начинается с внешней двухполюсной подсистемы (SM1) верхней и нижней ветви (Р1, Р2, Р3, N1, N2, N3) вентилей каждого модуля (41, 42, 43) фазы.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что каскадное по времени управление переключением состояний двухполюсных подсистем (SM1, SM2,…, SMn) каждой ветви (Р1, Р2, Р3, N1, N2, N3) вентилей выпрямителя (2) переменного тока с распределенными накопителями (CSM) энергии начинается с внутренней двухполюсной подсистемы (SMn) верхней и нижней ветви (Р1, Р2, Р3, N1, N2, N3) вентилей каждого модуля (41, 42, 43) фазы.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что заданный интервал времени (Δt) равен времени задержки выключения отключаемых полупроводниковых переключателей (S1, S2) двухполюсной подсистемы (SM1, SM2,…, SMn).
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в состоянии переключения III двухполюсного подмодуля (SM1, SM2,…, SMn) оба отключаемых полупроводниковых переключателя (S1, S2) этого двухполюсного подмодуля (SM1, SM2,…, SMn) выключены.
