Многоуровневый силовой преобразователь
Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники. Объектом изобретения является многоуровневый преобразователь, содержащий одно или несколько плеч (В), каждое из которых подключают между источником напряжения (VDC) и источником тока (I). Каждое плечо содержит две соединенные в виде каскада ступени (Е1, Е2), при этом первая ступень (Et1) предназначена для подключения к источнику напряжения (VDC), и вторая ступень (Et2) предназначена для подключения к источнику тока (I). Первая ступень (Et1) содержит n соединенных в виде каскада элементарных ступеней (Е1n, … Е12, Е11) с рангом от одного до n (n больше 1), при этом элементарная ступень (Е11) ранга 1 соединена с второй ступенью (Et2), и элементарная ступень (E1n) ранга n предназначена для подключения к источнику напряжения (VDC). Каждая элементарная ступень (E1n) содержит пару последовательно соединенных идентичных ячеек типа NPC (Cen1, Cen2), при этом соединение является прямым в элементарной ступени ранга 1, при этом соединение происходит через n-1 емкостных ячеек (Can(1), Can(n-1)) для каждой элементарной ступени ранга n (n больше 1), при этом вторая ступень (Et2) содержит ячейку с плавающим конденсатором (Се10). Технический результат - повышение допустимого уровня напряжения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к многоуровневым силовым преобразователям, предназначенным, в частности, для работы в области среднего напряжения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как правило, в известных силовых преобразователях среднего напряжения используют полупроводниковые выключатели, установленные последовательно для обеспечения повышения напряжения. Основной проблемой последовательного соединения этих полупроводниковых выключателей является возможность получения в каждый момент одинаковых напряжений на клеммах всех этих полупроводниковых выключателей. Если появляются переходные или постоянные перенапряжения, может произойти разрушение полупроводниковых выключателей.
Были разработаны технологии, которые основаны на чередовании приводов выключателей в сочетании с использованием трансформаторов и которые позволяют управлять распределением напряжений и восстанавливать формы волн. Однако трансформаторы стоят довольно дорого и не позволяют реализовать компактные преобразователи.
Другим решением является использование топологии NPC (от “neutral point clamped” или «связанная нейтраль»). Блок типа NPC содержит две пары последовательных полупроводниковых выключателей, два последовательных диода, подключенных, с одной стороны, к общей точке между двумя выключателями первой пары и, с другой стороны, к общей точке между двумя выключателями второй пары. Кроме того, он содержит ряд из двух конденсаторов, подключенный к клеммам узла, образованного парами полупроводниковых выключателей. Общая точка между двумя последовательными диодами соединена с общей точкой между двумя конденсаторами ряда.
Эта топология позволяет получить удовлетворительную форму волны и сократить ограничения по напряжению на полупроводниковых выключателях. С другой стороны, на клеммах конденсаторов может возникнуть разбалансированность напряжения.
Было предложено усовершенствовать первоначальную топологию NPC, заменив два диода парой полупроводниковых выключателей. Эта топология называется топологией ANPC с 3 уровнями напряжения.
Другое усовершенствование состоит в повышении допустимого уровня напряжения посредством последовательного соединения выключателей и добавления конденсатора. Эта топология называется ANPC с 5 уровнями напряжения. Она была разработана компанией АВВ. Однако она пока ограничена уровнями напряжения порядка 6,9 кВ.
Другая технология основана на объединении ячеек с плавающим конденсатором, известных также под названием взаимосвязанных элементарных ячеек. Источник напряжения может быть соединен с источником тока через любое число таких последовательных элементарных ячеек. Каждая элементарная ячейка содержит два последовательных полупроводниковых выключателя, и устройство накопления энергии, такое как конденсатор, соединяет между собой две соседних элементарных ячейки наподобие лестницы. Однако это решение имеет недостатки, связанные с присутствием плавающего конденсатора между двумя элементарными ячейками. Чем больше число элементарных ячеек, тем выше стоимость, связанная с конденсаторами, и тем больше количество энергии, накапливающейся в конденсаторах.
С учетом проблемы, связанной с последовательным соединением нескольких полупроводниковых выключателей для получения повышенных уровней напряжения, было предложено ограничить число последовательных выключателей и объединить ступени с ячейками, взаимосвязанными в виде каскада, при этом каждая ступень содержит несколько взаимосвязанных элементарных ячеек.
Так, в патентной заявке US 2007/0025126 описан многоуровневый силовой преобразователь, содержащий, по меньшей мере, два плеча, выполненных с взаимосвязанными элементарными ячейками, соединенными между собой через конденсаторы.
В первой конфигурации каждое плечо содержит каскад из 3 ступеней. Каждая из этих ступеней имеет разный ранг от 1 до 3. Каждая ступень содержит число пар взаимосвязанных элементарных ячеек, равное числу ранга. Эти пары взаимосвязанных элементарных ячеек могут принимать три уровня напряжения. Недостатком этой первой конфигурации является использование большого количества выключателей и конденсаторов, что делает ее дорогой и недостаточно надежной.
Во второй конфигурации каждое плечо содержит каскад из двух ступеней, одна из которых является ступенью ранга один, а другая - ранга два. Каждая ступень содержит столько же триплетов базовых взаимосвязанных элементарных ячеек. Эти триплеты элементарных ячеек могут принимать четыре уровня напряжения. В этом втором варианте используемые конденсаторы будут заряжаться разными уровнями напряжения в зависимости от того, принадлежат они к первой ступени или к второй ступени. Это приводит к ограничению стандартизации. С другой стороны, паразитная индуктивность конденсаторов тем больше, чем выше их стойкость под напряжением. Коммутационные перенапряжения на ячейках наиболее высоких уровней напряжения ограничивают привлекательность такого монтажа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение призвано предложить многоуровневый преобразователь, который может работать с более высокими уровнями напряжения, чем известные преобразователи, не прибегая к использованию трансформаторов или к увеличению числа полупроводниковых выключателей.
Другой задачей изобретения является создание многоуровневого преобразователя, который является менее дорогим и более надежным, чем известные многоуровневые преобразователи при данном уровне напряжения.
Изобретение призвано также предложить многоуровневый преобразователь, в котором используют наборы конденсаторов с ограниченной стойкостью под напряжением.
Дополнительной задачей изобретения является создание многоуровневого преобразователя, который ограничивает появление паразитной индуктивности.
Эти задачи решаются путем объединения ячеек типа NPC и емкостных ячеек.
В частности, объектом настоящего изобретения является многоуровневый преобразователь, содержащий одно или несколько плеч, выполненных с возможностью подключения каждого из них между источником напряжения и источником тока. Плечо или каждое плечо содержат две соединенные в виде каскада ступени, при этом первая ступень предназначена для подключения к источнику напряжения, а вторая ступень предназначена для подключения к источнику тока. Первая ступень содержит n соединенных в виде каскада элементарных ступеней с рангом от одного до n (n больше 1), при этом элементарная ступень ранга 1 соединена со второй ступенью, и элементарная ступень ранга n предназначена для подключения к источнику тока. Каждая элементарная ступень содержит пару последовательно соединенных идентичных ячеек типа NPC, при этом соединение является прямым в элементарной ступени ранга 1, при этом соединение происходит через n-1 емкостных ячеек для каждой элементарной ступени ранга n (n больше 1). Вторая ступень содержит ячейку с плавающим конденсатором.
В этом многоуровневом преобразователе емкостная ячейка содержит два последовательно расположенных устройства накопления энергии, причем эти устройства накопления энергии имеют одинаковую емкость накопления энергии.
В элементарной ступени ячейки типа NPC содержат емкостный мост с двумя устройствами накопления энергии, имеющими одинаковую емкость накопления энергии. Каждое устройства накопления энергии емкостной ячейки этой элементарной ступени имеет такую же емкость накопления энергии, что и одно из устройств накопления энергии в ячейке типа NPC.
Таким образом, все устройства накопления энергии первой ступени имеют одинаковую емкость накопления энергии.
Для соблюдения правил подключения к источнику напряжения и к источнику тока, по меньшей мере, одна из ячеек типа NPC соединена с одной ячейкой типа NPC соседней элементарной ступени через катушку индуктивности.
В заявленном преобразователе ячейка типа NPC содержит четверку последовательно расположенных элементарных выключателей, среди которых два находятся в крайнем положении и два - в среднем положении. Один элементарный выключатель в крайнем положении и один элементарный выключатель в среднем положении, которые не соединены напрямую, всегда находятся в комплементарных состояниях, одно из которых является пропускающим, а другое блокированным, причем эти два элементарных выключателя образуют элементарную коммутационную ячейку.
Ячейка типа NPC имеет функцию преобразования, которая связывает напряжение, подаваемое на вход упомянутой ячейки, с напряжением, присутствующим на выходе упомянутой ячейки. Обе элементарные коммутационные ячейки упомянутой ячейки тоже имеют, каждая, функцию преобразования. Функция преобразования ячейки типа NPC зависит от функций преобразования двух элементарных коммутационных ячеек.
Кроме того, ячейки типа NPC одной и той же элементарной ступени имеют одинаковую функцию преобразования.
В двух ячейках типа NPC одной и той же элементарной ступени подобные элементарные выключатели управляются одинаково.
В заявленном преобразователе ячейка типа с плавающим конденсатором содержит четверку последовательно расположенных элементарных выключателей, среди которых два находятся в крайнем положении и два - в среднем положении. Два элементарных выключателя в крайнем положении всегда находятся в комплементарных состояниях, два элементарных выключателя в среднем положении всегда находятся в комплементарных состояниях, одно из которых является пропускающим, а другое блокированным. Два элементарных выключателя в крайнем положении образуют первую элементарную коммутационную ячейку. Два элементарных выключателя в среднем положении образуют вторую элементарную коммутационную ячейку.
Каждый из элементарных выключателей содержит управляемый силовой электронный переключатель, связанный с антипараллельно подключенным диодом.
Устройства накопления энергии выбирают из: конденсатора, батареи, топливного элемента.
Объектом настоящего изобретения является также вариатор скорости, содержащий каскад с описанным выше преобразователем, работающим в режиме выпрямителя AC/DC, и описанным выше преобразователем, работающим в режиме инвертора DC/AC, соединенными между собой своими сторонами постоянного тока через источник напряжения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания не ограничительных примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
На фиг. 1А представлена схема плеча заявленного многоуровневого преобразователя с установленными в виде каскада первой ступенью и второй ступенью, при это первая ступень является каскадом из n элементарных ступеней, и на фиг. 1В показан однофазный многоуровневый преобразователь, содержащий два плеча, аналогичных плечу, показанному на фиг. 1А.
На фиг. 2А показана ячейка типа NPC заявленного многоуровневого преобразователя, и фиг. 2В, 2С, 2D иллюстрируют прохождение тока в этой ячейке, приводящее к трем состояниям ячейки типа NPC.
На фиг. 3А показана ячейка с плавающим конденсатором с тремя уровнями напряжения заявленного многоуровневого преобразователя, и фиг. 3В, 3С, 3D, 3Е иллюстрируют прохождение тока в этой ячейке с плавающим конденсатором, приводящее к четырем состояниям ячейки с плавающим конденсатором.
На фиг. 4А и 4В представлены примеры плеч заявленного многоуровневого преобразователя, в котором первая ступень представляет собой каскад из двух первых элементарных ступеней, при этом фиг. 4А относится к инвертору, а фиг. 4В относится к выпрямителю.
На фиг. 5А и 5В соответственно показаны треугольные сигналы для управления элементарными выключателями двух элементарных коммутационных ячеек ячейки с плавающим конденсатором, такой как ячейка Се10, показанная на фиг. 4А, в случае управления типа широтно-импульсной модуляции ШИМ; на фиг. 5С и 5D соответственно показаны треугольные сигналы для управления элементарными выключателями двух элементарных коммутационных ячеек ячейки типа NPC, такой как ячейка Се11, показанная на фиг. 4А, в случае управления типа широтно-импульсной модуляции ШИМ; на фиг. 5Е показан заданный сигнал, сравниваемый с треугольными сигналами, чтобы определять моменты переключения элементарных выключателей элементарных коммутационных ячеек.
На фиг. 6-9 показаны сигналы в случае преобразователя, показанного на фиг. 4А, с нагрузкой 10 типа RL, подключенной между узлом 5 и узлом N3.
На фиг. 6.00-6.04 показан соответственно командный сигнал Vref, сравниваемый с несущей Car3 для управления элементарными выключателями T4u и T3u, с несущей Car4 для управления элементарными выключателями T5u и T6u, с несущей Car1 для управления элементарным выключателем Т1, с несущей Car2 для управления элементарным выключателем Т2.
На фиг. 6.1-6.8 представлены временные диаграммы, соответствующие первой элементарной ступени Е11: на фиг. 6.1 и 6.2 показан соответственно сигнал управления элементарными выключателями T3u, T4u; на фиг. 6.3-6.7 показан соответственно ток, проходящий от узла N8 к элементарному выключателю T4u, ток, проходящий от узла N9 к диодам D7 и D8, ток, проходящий от узла N10 к элементарным выключателям T3′u T4I, ток, проходящий от узла N11 к диодам D9 и D10, ток, проходящий от узла N12 к элементарному выключателю T3′I; на фиг. 6.8 показан выходной ток плеча, питающий нагрузку 10.
На фиг. 7.1-7.9 представлены временные диаграммы, соответствующие второй элементарной ступени Е12: на фиг. 7.1 и 7.2 показан соответственно сигнал управления элементарными выключателями T5u, T6u; на фиг. 7.3-7.8 показан соответственно ток, проходящий от клеммы Е+, которая должна быть соединена с источником напряжения VDC, к элементарному выключателю T6u, ток, проходящий от узла N1 к диодам D1 и D2, ток, проходящий от узла N2 к элементарному выключателю T5′u, ток, проходящий от узла N4 к элементарному выключателю T6I, ток, проходящий от узла N5 к диодам D5 и D6, ток, проходящий от клеммы Е-, которая должна быть соединена с источником напряжения VDC, к элементарному выключателю T5′I; на фиг. 7.9 показан выходной ток плеча, питающий нагрузку 10.
На фиг. 8.1-8.5 представлены временные диаграммы, соответствующие второй ступени Е2, при этом на фиг. 8.1 и 8.2 показан сигнал управления элементарными выключателями Т1, Т2 с первой базой времени, такой же, что и на фиг. 6.03 и 6.04; на фиг. 8.3 и 8.4 соответственно показан ток, проходящий от элементарного выключателя Т2 к элементарному выключателю Т1, и ток, проходящий от элементарного выключателя Т2 к конденсатору Cf; на фиг. 8.5 показан выходной ток плеча, питающий нагрузку 10; на фиг. 8.6 и 8.7 опять показан сигнал управления элементарными выключателями Т1, Т2 с второй базой времени, такой же, что и на фиг. 8.3-8.5.
На фиг. 9.1 и 9.2 показана соответственно временная диаграмма напряжения Vs на клеммах нагрузки 10 и выходного тока Is плеча, питающего нагрузку 10.
На фиг. 10 представлен пример вариатора скорости, объединяющего в себе два заявленных многоуровневых преобразователя, при этом один из них работает как выпрямитель, а второй - как инвертор.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧАСТНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
На фиг. 1А представлена электрическая схема плеча В заявленного многоуровневого преобразователя в общей конструкции. Он позволяет работать с напряжениями в области среднего напряжения примерно до 13,8 кВ.
Сначала будет описан пример плеча преобразователя DC/AC.
Заявленный многоуровневый преобразователь, показанный на фиг. 1В, содержит одно или несколько плеч В, аналогичных плечу, показанному на фиг. 1А. Они предназначены для подключения, каждое, между одними и теми же источниками электрического питания, среди которых источник напряжения VDC и источник тока I. Два плеча используют в однофазном преобразователе. Три плеча можно использовать в трехфазном преобразователе.
Плечо В, показанное на фиг. 1А, предназначено для подключения между источником напряжения VDC и источником тока I. При этом преобразователь может работать в режиме преобразователя DC/AC (инвертор) или в режиме преобразователя AC/DC (выпрямитель). В случае преобразователя DC/AC источник тока является источником переменного тока и может быть, например, электрическим двигателем, и источник напряжения является источником постоянного напряжения и может быть, например, шиной постоянного тока, подключенной к выходу выпрямителя.
В случае преобразователя DC/AC источник тока является источником переменного тока и может быть, например, сетью питания, и источник напряжения является источником постоянного напряжения и может быть, например, конденсатором или батареей.
Плечо В преобразователя содержит две ступени Et1, Et2, связанные в виде каскада. Первая ступень Et1 или входная ступень предназначена для подключения к источнику постоянного напряжения VDC, и вторая ступень Et2 или выходная ступень предназначена для подключения к источнику тока I в конфигурации преобразователя DC/AC, показанного на фиг. 1.
В конфигурации преобразователя AC/DC первая ступень Et1 или выходная ступень может быть подключена к источнику постоянного напряжения, и вторая ступень Et2 или входная ступень может быть подключена к источнику переменного тока. Вход и выход преобразователя чередуются при переходе от работы в режиме инвертора к работе в режиме выпрямителя и наоборот.
Первая ступень Et1 состоит из n соединенных в виде каскада элементарных ступеней Е11, Е12, …, Е1n, имеющих ранг от 1 до n (n больше 1). Элементарная ступень Е11 ранга 1 соединена с второй ступенью Et2. Элементарная ступень E1n ранга n предназначена для подключения к источнику напряжения VDC.
Вторая ступень Et2 образована ячейкой Се10 с плавающим конденсатором с тремя уровнями напряжения.
Каждая элементарная ступень Е11, Е12, …, E1n первой ступени Et1 содержит пару последовательно соединенных ячеек типа NPC (Се11, Се12), (Се21, Се22), …, (Сen1, Cen2). Соединение между двумя ячейками типа NPC одной и той же элементарной ступени Е11, Е12, …, E1n ранга от 1 до n происходит через n-1 емкостных ячеек. Для элементарной ступени Е11 ранга 1 соединение между двумя ячейками типа NPC Се11, Се12 является при этом прямым. Если n-1 превышает один, существует n-1 емкостных ячеек, которые соединены последовательно. Емкостная ячейка элементарной ступени Е12 ранга 2 обозначена Са2(1), и аналогично емкостные ячейки элементарной ступени En ранга n обозначены Can(1)-Can(n-1). Каждая емкостная ячейка содержит пару последовательных устройств накопления энергии. Два устройства накопления энергии одной и той же емкостной ячейки имеют одинаковую емкость накопления энергии. Кроме того, все устройства накопления энергии емкостных ячеек первой ступени Et1 имеют одинаковое значение емкости накопления энергии.
Устройства накопления энергии, используемые в заявленном преобразователе как в ячейках типа NPC, так в ячейках с плавающим конденсатором или же в емкостных ячейках, могут быть реализованы в виде любого устройства, способного накапливать электрическую энергию и воспроизводить ее в виде напряжения. Устройства накопления энергии могут быть выполнены в виде конденсатора, батареи, топливного элемента и т.д.
В дальнейшем для упрощения обозначение VDC будет относится одновременно к источнику напряжения и к напряжению на клеммах этого источника напряжения.
Напряжение VDC разделено на n+1 последовательных напряжений, из которых два крайних напряжения, называемых E1n1 и E1n(n+1), являются входными напряжениями ячеек типа NPC Cen1 и Cen2.
Для работы в режиме инвертора показан только один источник напряжения VDC. Разумеется, этот источник напряжения VDC может состоять из совокупности n+1 независимых элементарных источников напряжения.
Каждая ячейка типа NPC содержит, как будет показано ниже со ссылками на фиг. 3А, входной разделительный емкостной мост, который представляет собой источник напряжения. Напряжения E1n1, E1n(n+1) являются напряжениями на клеммах этих емкостных мостов.
Напряжения E1n2-E1nn являются плавающими напряжениями, которые поступают на n-1 емкостных ячеек Can(1)-Can(n-1). Эти n-1 емкостных ячеек Can(1)-Can(n-1) образуют источники плавающих напряжений.
Точно так же, выходы ячеек типа NPC Cen1 и Cen2 элементарной ступени E1n можно рассматривать как источники плавающих напряжений.
Соединение между двумя соседними элементарными ступенями осуществляют между двумя соответствующими ячейками типа NPC через катушку индуктивности Laux11, Laux21, …, Laux1(n-1), Laux2(n-1). Каждая из этих катушек индуктивности соответствует источнику тока для соблюдения правил соединения между источником напряжения и источником тока. Эти две катушки индуктивности имеют одинаковое значение индуктивности. С другой стороны, две катушки, которые не соединяют две одинаковые ступени, не обязательно имеют одинаковые значения индуктивности. В варианте, можно использовать только одну катушку индуктивности для соединения первой элементарной ступени и соседней второй элементарной ступени. Ее можно расположить между ячейкой типа NPC первой элементарной ступени и ячейкой типа NPC второй элементарной ступени. Другую ячейку типа NPC первой элементарной ступени можно соединить напрямую с другой ячейкой типа NPC соседней второй элементарной ступени. Для выделения этого варианта катушка индуктивности Laux21 на фиг. 1А показана пунктирной линией. Это значит, что она является факультативной. В этом случае используемая единственная катушка индуктивности может иметь в качестве значения индуктивности сумму двух значений индуктивности монтажа с двумя катушками индуктивности.
На уровне элементарной ступени Е12 ранга 2 выходы ячеек типа NPC Се21 и Се22 подключены через катушки индуктивности Laux11, Laux21 к двум источникам плавающих напряжений, образованных емкостными мостами двух ячеек типа NPC Се11, Се12. Эти два источника напряжения имеют общую точку. Обозначения Е111, Е112 соответствуют напряжениям на клеммах этих емкостных мостов.
Выходы ячеек типа NPC Се11 и Се12 образуют источник плавающего напряжения Е2, которое подают на вход ячейки с плавающим конденсатором Се10 второй ступени Et2. Структура и работа ячейки с плавающим конденсатором с тремя уровнями напряжения будут описаны со ссылками на фиг. 3А-3Е.
Компоненты n-ой элементарной ступени E1n выбирают таким образом, чтобы входное напряжение VDC делилось на n+1 равных входных напряжений, подаваемых на каждую из двух ячеек типа NPC Cen1, Cen2 и n-1 емкостных ячеек Can(1), …, Can(n-1). Таким образом на каждую из ячеек n-ой элементарной ступени подают VDC/n+1.
Можно определить функцию преобразования f, соответствующую каждой ячейке типа NPC или ячейке с плавающим конденсатором, она связывает входное напряжение Ve, подаваемое на упомянутую ячейку, с напряжением V, присутствующим на выходе этой же ячейки.
V=f*Ve/2 при -1≤f≤1
В каждой элементарной ступени первой ступени две ячейки типа NPC конфигурируют и управляют ими таким образом, чтобы их соответствующие функции преобразования были попарно равны. Таким образом, напряжения, подаваемые на вход каждой из ячеек первой ступени, а также второй ступени, равны VDC/n+1. Все ячейки типа NPC или с плавающим конденсатором преобразователя должны выдерживать это напряжение VDC/n+1. Это отвечает первоначальной задаче сокращения ограничений напряжения на полупроводниковых выключателях при данном постоянном напряжении, подаваемом на элементарную ступень ранга n первой ступени.
Далее со ссылками на фиг. 2А-2D следует описание структуры ячейки типа NPC с тремя уровнями напряжения.
Эта ячейка типа NPC содержит четверку последовательно установленных элементарных выключателей, называемых К11, К12, К21, К22. В этой четверке первый элементарный выключатель К11 и второй элементарный выключатель К22 находятся в крайнем положении, и первый элементарный выключатель К12 и второй элементарный выключатель К21 находятся в среднем положении, при этом два элементарных выключателя в среднем положении напрямую соединены друг с другом в узле М3. В четверке элементарный выключатель в крайнем положении напрямую соединен с элементарным выключателем в среднем положении. Это соединение позволяет определить первую среднюю точку М1 между первым элементарным выключателем К11 в крайнем положении и первым элементарным выключателем К12 в среднем положении и вторую среднюю точку М2 между вторым элементарным выключателем К22 в крайнем положении и вторым элементарным выключателем К21 в среднем положении.
Элементарные выключатели К11, К12, К21, К22 являются полупроводниковыми выключателями и содержат, каждый, управляемый силовой электронный переключатель Т11, Т12, Т21, Т22, такой как силовой транзистор IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором), связанный с антипараллельно подключенным диодом D11, D12, D21, D22. Вместо транзисторов IGBT можно предусмотреть другие силовые электронные переключатели, такие как полевые МОП-транзисторы или другие. Чтобы не перегружать фигуры, средства управления силовыми электронными переключателями не показаны.
Последовательные первый диод D100 и второй диод D200 подключены между первой средней точкой М1 и второй средней точкой М2. Катод диода D100 подключен к первой средней точке М1, и анод диода D200 соединен с второй средней точкой М2. Емкостной разделительный мост с первым устройством С100 накопления энергии и вторым устройством С200 накопления энергии подключен к крайним клеммам четверки элементарных выключателей К11, К12, К21, К22. Оба устройства С100 и С200 накопления энергии имеют одинаковую емкость накопления электрической энергии. Средняя точка А между двумя последовательными устройствами С100, С200 накопления энергии соединена со средней точкой В между двумя последовательными диодами D100, D200. Анод диода D100 соединен со средней точкой В, катод диода D200 соединен со средней точкой В.
Определяют две функции переключения. Первую функцию F1 переключения используют для управления первой коммутационной элементарной ячейкой G1, содержащей первый элементарный выключатель К11 в крайнем положении и второй элементарный выключатель К21 в среднем положении. Вторую функцию F2 переключения используют для управления второй коммутационной элементарной ячейкой G2, содержащей первый элементарный выключатель К12 в среднем положении и второй элементарный выключатель К22 в крайнем положении. Элементарные выключатели одной и той же коммутационной элементарной ячейки G1 или G2 не соединены напрямую друг с другом и всегда находятся в комплементарных состояниях, одно из которых является пропускающим, а второе - блокированным.
Первое входное напряжение V1 подают на клеммы первого устройства С100 накопления энергии. Второе входное напряжение V2 подают на клеммы второго устройства С200 накопления энергии.
Выходное напряжение V берут между средней точкой А между двумя устройствами С100, С200 накопления энергии и узлом М3, общим для двух элементарных выключателей К12, К21 в среднем положении.
| Состояние | К11 | К21 | F1 G1 | K12 | K22 | F2 G2 | V |
| 1 | Пропускающее | Блокированное | 1 | Пропускающее | Блокированное | 1 | V1 |
| 2 | Блокированное | Пропускающее | 0 | Пропускающее | Блокированное | 1 | 0 |
| 3 | Блокированное | Пропускающее | 0 | Блокированное | Пропускающее | 0 | -V2 |
В этой монтажной схеме, выдающей три уровня напряжения, комбинация блокированного К12 и пропускающего К11 не допускается. Состояние 1 показано на фиг. 2В, состояние 2 показано на фиг. 2С, состояние 3 показано на фиг. 2D.
Далее со ссылками на фиг. 3А-3Е следует краткое описание структуры ячейки с плавающим конденсатором с тремя уровнями напряжения.
Эта ячейка с плавающим конденсатором содержит четверку последовательно установленных элементарных выключателей, называемых К110, К120, К210, К220. В этой четверке первый элементарный выключатель К110 и второй элементарный выключатель К220 находятся в крайнем положении, и первый элементарный выключатель К120 и второй элементарный выключатель К210 находятся в среднем положении, при этом оба элементарных выключателя К120, К210 в среднем положении напрямую соединены друг с другом в узле М30. В этой четверке элементарный выключатель в крайнем положении напрямую соединен с элементарным выключателем в среднем положении. Это соединение позволяет определить первую среднюю точку М10 между первым элементарным выключателем К110 в крайнем положении и первым элементарным выключателем К120 в среднем положении и вторую среднюю точку М20 между вторым элементарным выключателем К220 в крайнем положении и вторым элементарным выключателем К210 в среднем положении.
Эти элементарные выключатели К110, К120, К210, К220 являются полупроводниковыми выключателями и содержат, каждый, управляемый силовой электронный переключатель Т110, Т120, Т210, Т220, такой как силовой транзистор IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), например, связанный с антипараллельно подключенным диодом D110, D120, D210, D220. Вместо транзисторов IGBT можно предусмотреть другие силовые электронные переключатели, такие как полевые МОП-транзисторы или другие.
Устройство С101 накопления энергии подключено между первой средней точкой М10 и второй средней точкой М20.
Определяют две функции переключения. Первую функцию F10 переключения используют для управления первой коммутационной элементарной ячейкой J1, содержащей первый элементарный выключатель К110 в крайнем положении и второй элементарный выключатель К220 в крайнем положении. Вторую функцию F20 переключения используют для управления второй коммутационной элементарной ячейкой J2, содержащей первый элементарный выключатель К120 в среднем положении и второй элементарный выключатель К210 в среднем положении. Элементарные выключатели одной и той же коммутационной элементарной ячейки всегда находятся в комплементарных состояниях - пропускающем или блокированным.
Входное напряжение Ve является напряжением на клеммах четверки выключателей К110, К120, К210, К220. Выходное напряжение V является напряжением на клеммах блока, образованного вторым элементарным выключателем К210 в промежуточном положении и вторым элементарным выключателем К220 в крайнем положении.
| Состояние | К110 | К220 | F10 J1 | K120 | K210 | F20 J2 | V |
| 1 | Пропускающее | Блокированное | 1 | Пропускающее | Блокированное | 1 | Ve |
| 2 | Пропускающее | Блокированное | 1 | Блокированное | Пропускающее | 0 | Ve/2 |
| 3 | Блокированное | Пропускающее | 0 | Пропускающее | Блокированное | 1 | Ve/2 |
| 4 | Блокированное | Пропускающее | 0 | Блокированное | Пропускающее | 0 | 0 |
В зависимости от состояния элементарных выключателей тремя уровнями выходного напряжения, которые можно получить, являются: 0, Ve/2, Ve. Состояние 1 показано на фиг. 3В, состояние 2 показано на фиг. 3С, состояние 3 показано на фиг. 3D и состояние 4 показано на фиг. 3Е.
Элементарные выключатели описанных выше ячеек являются двунаправленными по току, что делает заявленный преобразователь реверсивным.
На фиг. 4А, 4В более детально представлена электрическая схема плеча заявленного многоуровневого преобразователя. Показанный на фиг. 4А заявленный преобразователь работает в режиме инвертора DC/AC. Его выход со стороны переменного тока предназначен для питания показанной нагрузки 10, состоящей из последовательно соединенных резистора R и катушки индуктивности L и эквивалентной источнику тока. Показанный на фиг. 4В заявленный преобразователь работает в режиме выпрямителя АС/DC. Устройства накопления энергии являются конденсаторами, хотя это и не является ограничением.
В этом примере первая ступень Et1 плеча содержит только n=2 элементарных ступеней Е11, Е12 ранга 1 и 2. Первая элементарная ступень Е11 содержит две ячейки типа NPC Се11 и Се12. Ячейка типа NPC Се11 содержит четыре элементарных выключателя, в том числе два крайних T4u, T3′u и два средних T3u, T4′u, а также два конденсатора С7, С8 и два диода D7, D8. Эти компоненты расположены, как показано на фиг. 2А.
Элементарные выключатели ячейки типа NPC Се11 распределены на две элементарные коммутационные ячейки Gr4 с T4u и T4′u и Gr3 с T3u и T3′u. Таким образом, элементарная коммутационная ячейка Gr4 имеет уровень 0, когда T4u является блокированным и T4′u является пропускающим, и уровень 1, когда T4u является пропускающим и T4′u является блокированным. Точно так же, элементарная коммутационная ячейка Gr3 имеет уровень 0, когда T3u является блокированным и T3′u является пропускающим, и уровень 1, когда T3u является пропускающим и T3′u является блокированным.
Аналогично, ячейка типа NPC Се12 содержит четыре элементарных выключателя, в том числе два крайних T4I, T3′I и два средних T3I, T4′I, а также два конденсатора С9, С10 и два диода D9, D10. Эти компоненты расположены, как показано на фиг. 2А.
Вторая элементарная ступень Е12 содержит две ячейки типа NPC Се21 и Се22 и емкостную ячейку Са2(1), образованную парой последовательных конденсаторов С3 и С4. Ячейка типа NPC Се21 содержит четыре элементарных выключателя, в том числе два крайних T6u, T5′u и два средних T5u, T6′u, два конденсатора С1, С2 и два диода D1, D2. Эти компоненты расположены, как показано на фиг. 2А.
Элементарные выключатели ячейки типа NPC Се21 распределены в двух элементарных коммутационных ячейках Gr5 с T5u и T5′u и Gr6 с T6u и T6′u. Таким образом, элементарная коммутационная ячейка Gr5 имеет уровень 0, когда T5u является блокированным и T5′u является пропускающим, и уровень 1, когда T5u является пропускающим и T5′u является блокированным. Точно так же, элементарная коммутационная ячейка Gr6 имеет уровень 0, когда T6u является блокированным и T6′u является пропускающим, и уровень 1, когда T6u является пропускающим и T6′u является блокированным. Элементарные коммутационные ячейки, принадлежащие к ячейкам NPC одной и той же элементарной ступени, имеют одинаковую функцию преобразования.
Аналогично, ячейка типа NPC Се22 содержит четыре элементарных выключателя, в том числе два крайних T6I, T5′I и два средних T5I, T6′I, а также два конденсатора С5, С6 и два диода D5, D6.
Чтобы соблюдать вышеупомянутые требования, в одной и той же элементарной ступени управление подобными элементарными выключателями T3u и T3I; T4u и T4I; T5u и T5I; T6u и T6I является идентичным. Под подобными элементарными выключателями следует понимать два элементарных выключателя, каждый из которых принадлежит к разной ячейке типа NPC одной и той же элементарной ступени и занимает точно такое же место в упомянутой ячейке.
Первая элементарная ступень Е11 и вторая элементарная ступень Е12 соединены между собой через две катушки индуктивности Laux11, Laux21.
Вторая ступень Et2 содержит ячейку с плавающим конденсатором Се10, показанную на фиг. 2В. Ячейка Се10 содержит четыре элементарных выключателя, в том числе два крайних T2, T2′ и два средних T1, T1′, а также конденсатор Cf. Эти элементарные выключатели распределены в двух элементарных коммутационных ячейках Gr1 с T1 и T1′ и Gr2 с T2 и T2′. Таким образом, элементарная коммутационная ячейка Gr1 имеет уровень 0, когда T1 является блокированным и T1′ является пропускающим, и уровень 1, когда T1 является пропускающим и T1′ является блокированным. Точно так же, элементарная коммутационная ячейка Gr2 имеет уровень 0, когда T2 является блокированным и T2′ является пропускающим, и уровень 1, когда T2 является пропускающим и T2′ является блокированным.
Размерность конденсатора Cf ячейки с плавающим конденсатором не соответствует тем же правилам размерности, как размерность конденсаторов ячеек типа NPC. С другой стороны, под напряжением все эти конденсаторы преобразователя ведут себя одинаково. Проще говоря, значение емкости конденсатора Cf ячейки с взаимосвязанным конденсатором зависит от частоты переключения элементарных выключателей упомянутой ячейки. Значение емкости конденсаторов ячейки типа NPC зависит от частоты выходного сигнала упомянутой ячейки.
Представлена нагрузка 10 типа R, L, подключаемая между узлом S и узлом N3. Узел S находится в общей точке между двумя средними элементарными выключателями Т1, Т1′ ячейки с плавающим конденсатором Се10. В примере, показанном на фиг. 4А, этот узел S соответствует выходу плеча В при работе преобразователя DC/AC. Узел N3 находится в общей точке между двумя конденсаторами С3, С4 пары конденсаторов емкостной ячейки Са2(1). Этот узел N3 соответствует средней точке источника входного напряжения VDC.
Подробное описание плеча преобразователя, показанного на фиг. 4В, опускается. Оно имеет такую же структуру, что и плечо, показанное на фиг. 4А, за исключением того, что узел S, который на фиг. 4А соответствовал выходу, теперь называется узлом Е, так как он соответствует здесь входу. Он предназначен для подключения к источнику переменного тока (не показан). Точно так же, входные клеммы Е+, Е- на фиг. 4А, к которым следует подключить источник напряжения VDC, теперь на фиг. 4В называются S+ и S-, они соответствуют выходу преобразователя и предназначены для питания источника постоянного напряжения (не показан). Во время работы в режиме выпрямителя ток IE проходит от узла Е к выходным клеммам S+ и S-, тогда как при работе в режиме инвертора токи IE+ и IE- проходили от клемм Е+, Е- к узлу S. При работе в режиме выпрямителя токи IS+ и IS-, поступающие на клеммы S+ S-, являются выходными токами, а при работе в режиме инвертора выходной ток, обозначаемый Is, поступает на узел S.
Показанный на фиг. 4А преобразователь позволяет получать на выходе 7 разных уровней напряжения 0, VDC/6, 2VDC/6, 3VDC/6, 4VDC/6, 5VDC/6, VDC и 36 состояний в зависимости от уровня элементарных коммутационных ячеек Gr1-Gr6, то есть от пропускающего или блокированного состояния их элементарных выключателей.
В нижеследующей таблице представлены 36 разных допустимых состояний, а также соответствующие уровни напряжения V на выходе второй ступени Et2. Напряжение V берется между узлом S и клеммой Е-.
Гармоническое содержание выходного напряжения существенно снижается.
| Состояние | Gr6 | Gr5 | Gr4 | Gr3 | Gr2 | Gr1 | V |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 VDC/6 |
| 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | |
| 3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | VDC/6 |
| 4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 2VDC/6 |
| 5 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | VDC/6 |
| 6 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 2VDC/6 |
| 7 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 2VDC/6 |
| 8 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 3VDC/6 |
| 9 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 2VDC/6 |
| 10 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 3VDC/6 |
| 11 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 3VDC/6 |
| 12 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 4VDC/6 |
| 13 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | VDC/6 |
| 14 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 2VDC/6 |
| 15 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 2VDC/6 |
| 16 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 3VDC/6 |
| 17 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 2VDC/6 |
| 18 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 3VDC/6 |
| 19 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 3VDC/6 |
| 20 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 4VDC/6 |
| 21 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 3VDC/6 |
| 22 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 4VDC/6 |
| 23 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 4VDC/6 |
| 24 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 5VDC/6 |
| 25 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2VDC/6 |
| 26 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 3VDC/6 |
| 27 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 3VDC/6 |
| 28 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 4VDC/6 |
| 29 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 3VDC/6 |
| 30 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 4VDC/6 |
| 31 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 4VDC/6 |
| 32 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 5VDC/6 |
| 33 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 4VDC/6 |
| 34 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 5VDC/6 |
| 35 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 5VDC/6 |
| 36 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | VDC |
Анализируя эту таблицу, можно заметить, что разные состояния и, следовательно, разные конфигурации элементарных выключателей приводят к одинаковому напряжению V. Однако эти избыточные состояния могут оказывать разное влияние на устройства накопления энергии преобразователя. Так, в состоянии 2 ток стремится разрядить конденсатор Cf ячейки с плавающим конденсатором Се10, тогда как в состоянии 3 ток проходит в противоположном направлении, что приводят к зарядке конденсатора Cf.
Можно использовать разные типы управления для приведения элементарных выключателей в пропускающее или блокированное состояние и, следовательно, для обеспечения преобразования. Можно использовать традиционное управление, основанное на широтно-импульсной модуляции ШИМ. Разумеется, управление подобными элементарными выключателями двух ячеек типа NPC одной и той же элементарной ступени первой ступени является одинаковым.
На фиг. 5А-5D показаны треугольные несущие, используемые для определения моментов переключения элементарных выключателей соответственно двух ячеек типа NPC и с плавающим конденсатором заявленного преобразователя. В частности, фиг. 5А и 5В относятся к управлению элементарных выключателей двух элементарных коммутационных ячеек ячейки с плавающим конденсатором, такой как ячейка Се10. Треугольные несущие имеют амплитуду от +1 до -1. Они смещены по фазе на полупериод квантования. Например, треугольная несущая на фиг. 5А соответствует первой элементарной коммутационной ячейке Gr1, и треугольная несущая на фиг. 5В соответствует второй элементарной коммутационной ячейке Gr2.
Фиг. 5С и 5D относятся соответственно к управлению двумя элементарными коммутационными ячейками типа NPC, например, такими как ячейки типа NPC Се11, Се12. Треугольные несущие имеют амплитуды от 0 до +1 (фиг. 5С) для первой элементарной коммутационной ячейки Gr3 и от -1 до 0 (фиг. 5D) для второй элементарной коммутационной ячейки Gr4. Они находятся в фазе. Моменты переключения элементарных выключателей получают путем сравнения между треугольными несущими и заданным сигналом, соответствующим искомому сигналу на выходе преобразователя. Например, в качестве правила можно определить, что момент переключения элементарного выключателя наступает, как только заданный сигнал становится строго больше треугольной несущей. Разумеется, в качестве правила можно также установить, что момент переключения элементарного выключателя наступает, как только заданный сигнал становится больше или равным треугольной несущей.
Заданный сигнал показан на фиг. 5Е.
Разумеется, можно предусмотреть другие типы управления, например, векторное управление или прямое управление крутящим моментом, если преобразователь питает вращающуюся машину.
Оригинальный вариант управления представлен со ссылками на фиг. 6-9. Число пропускающих состояний элементарных выключателей ячеек типа NPC элементарных ступеней первой ступени ограничивают одним в течение периода заданного сигнала Vref. Получают грубое регулирование выходного напряжения упомянутой элементарной ступени.
Если для управления элементарными выключателями второй ступени преобразователя использовать частоту переключения, превышающую частоту, используемую для управления выключателями первой ступени, достигают гораздо более точного регулирования выходного напряжения преобразователя, одновременно соблюдая требования к работе каждого из элементарных выключателей. Можно напомнить, что частота переключения элементарных выключателей связана с их технологией и с их калибром. В данном варианте применения она может, например, находиться в интервале от 500 Гц до 10000 Гц. Частота сигнала на выходе преобразователя, показанного на фиг. 4, может колебаться от 0 до 150 Гц.
На фиг. 6.00 показана форма заданного сигнала, называемого также заданным напряжением Vref, которое будет служить, в частности, для определения моментов переключения всех элементарных выключателей ячеек типа NPC и ячеек с плавающим конденсатором. Его используют при нескольких сравнениях, что будет показано ниже. Оно совпадает по фазе с показанным на фиг. 9.1 напряжением Vs на клеммах нагрузки 10, подключенной на выходе плеча В, но при этом выходной ток Is, показанный на фиг. 9.2, запаздывает по отношению к заданному напряжению. Оно имеет амплитуду от -0,8 до +0,8 в представленном примере. В целом, заданное напряжение Vref может меняться от -1 до +1. Амплитуду этого заданного напряжения Vref используют для регулирования амплитуды выходного напряжения Vs.
На фиг. 6.01 представлена временная диаграмма несущей Car3, используемой вместе с заданным напряжением Vref для определения моментов переключения элементарных выключателей T4u и T3u ячейки типа NPC Се11 первой элементарной ступени Е11 преобразователя. Она представляет собой сигнал прямоугольной формы, который совпадает по фазе с заданным напряжением Vref и имеет амплитуду Vref/3.
На фиг. 6.1 представлена временная диаграмма сигнала управления элементарным выключателем T3u ячейки типа NPC Се11 первой элементарной ступени Е11 преобразователя. Он представляет собой сигнал прямоугольной формы, период которого равен периоду заданного сигнала Vref. Элементарный выключатель T3u блокируется только один раз в течение этого периода, пока амплитуда контрольного напряжения Vref меньше отрицательной плоской ступени несущей Car3.
На фиг. 6.2 представлена временная диаграмма сигнала управления элементарным выключателем T4u ячейки типа NPC Се11 первой элементарной ступени Е11 преобразователя. Он представляет собой сигнал прямоугольной формы, период которого равен периоду заданного сигнала Vref. Элементарный выключатель T4u пропускает только один раз в течение этого периода, пока амплитуда контрольного напряжения Vref больше положительной плоской ступени несущей Car3.
Элементарные выключатели T3u и T4u являются напрямую соединенными элементарными выключателями в среднем и крайнем положении, они могут иметь одинаковое состояние, как показано в предыдущей таблице. В течение одного периода это проверяется дважды.
На фиг. 6.3 показана временная диаграмма тока IN8, проходящего от узла N8 к элементарному выключателю T4u. Узел N8 является общим для катушки индуктивности Laux11 и для элементарного выключателя T4u.
На фиг. 6.4 показана временная диаграмма тока IN9, проходящего от узла N9 к диодам D7 и D8. Узел N9 является общим для конденсаторов С7, С8 и для диодов D7 и D8.
На фиг. 6.5 показана временная диаграмма тока IN10, проходящего от узла N10 к элементарным выключателям T3′u и T4I. Узел N10 является общим для конденсаторов С8, С9 и для элементарных выключателей T3′u и T4I.
На фиг. 6.6 показана временная диаграмма тока IN11, проходящего от узла N11 к диодам D9 и D10. Узел N11 является общим для конденсаторов С9, С10 и для диодов D9 и D10.
На фиг. 6.7 показана временная диаграмма тока IN12, проходящего от узла N12 к элементарному выключателю T3′I. Узел N12 является общим для катушки индуктивности Laux21 и для элементарного выключателя T3′I.
На фиг. 6.8 показана временная диаграмма выходного тока Is плеча преобразователя, показанного на фиг. 4А. Временные диаграммы на фиг. 6.3-6.7 представляют собой участки тока Is, показанного на фиг. 6.8.
На фиг. 6.02 показана временная диаграмма несущей Car4, используемой вместе с заданным напряжением Vref, показанным на фиг. 6.00, для определения моментов переключения элементарных выключателей T6u и T5u ячейки типа NPC Се21 второй элементарной ступени Е12 преобразователя. Она представляет собой сигнал прямоугольной формы, который совпадает по фазе с заданным напряжением Vref и имеет амплитуду 2Vref/3. Жирной линией на этой временной диаграмме наложено заданное напряжение Vref.
На фиг. 7.1 представлена временная диаграмма сигнала управления элементарным выключателем T5u ячейки типа NPC Се21 второй элементарной ступени Е12 преобразователя. Он представляет собой сигнал прямоугольной формы, период которого равен периоду заданного сигнала Vref. Элементарный выключатель T5u блокируется только один раз в течение этого периода, пока амплитуда заданного напряжения Vref меньше отрицательной плоской ступени несущей Car4.
На фиг. 7.2 представлена временная диаграмма сигнала управления элементарным выключателем T6u ячейки типа NPC Се21 второй элементарной ступени Е12 преобразователя. Он представляет собой сигнал прямоугольной формы, период которого равен периоду заданного сигнала Vref. Элементарный выключатель T6u пропускает только один раз в течение этого периода, пока амплитуда заданного напряжения Vref больше положительной плоской ступени несущей Car4.
Элементарные выключатели T6u и T5u являются напрямую соединенными элементарными выключателями в среднем и крайнем положении, они могут иметь одинаковое состояние, как показано в предыдущей таблице. В течение одного периода это проверяется дважды.
На фиг. 7.3 представлена временная диаграмма тока IE+, проходящего от клеммы Е+, которую необходимо соединить с источником напряжения VDC, к элементарному выключателю T6u.
На фиг. 7.4 показана временная диаграмма тока IN1, проходящего от узла N1 к диодам D1 и D2. Узел N1 является общим для конденсаторов С1, С2 и для диодов D1 и D2.
На фиг. 7.5 показана временная диаграмма тока IN2, проходящего от узла N2 к элементарному выключателю T5′u. Узел N2 является общим для конденсаторов С2, С3 и для элементарного выключателя T5′u.
На фиг. 7.6 показана временная диаграмма тока IN4, проходящего от узла N4 к элементарному выключателю T6I. Узел N4 является общим для конденсаторов С4, С5 и для элементарного выключателя T6I.
На фиг. 7.7 показана временная диаграмма тока IN5, проходящего от узла N5 к диодам D5 и D6. Узел N5 является общим для конденсаторов С5, С6 и для диодов D5 и D6.
На фиг. 7.8 представлена временная диаграмма тока IE-, проходящего от клеммы Е-, которую необходимо соединить с источником напряжения VDC, к элементарному выключателю T5′I.
На фиг. 7.9 представлена временная диаграмма выходного тока Is плеча преобразователя, показанного на фиг. 4А.
На фиг. 6.03 показана временная диаграмма несущей Car1, используемой вместе с заданным напряжением Vref для определения моментов переключения элементарного выключателя T1 ячейки с плавающим конденсатором Се10 второй ступени Е2 преобразователя. Она представляет собой треугольный сигнал с амплитудой от +1 до -1. Заданное напряжение Vref наложено на несущую Car1.
На фиг. 6.04 показана временная диаграмма несущей Car2, используемой вместе с заданным напряжением Vref для определения моментов переключения элементарного выключателя T2 ячейки с плавающим конденсатором Се10 второй ступени Е2 преобразователя. Она представляет собой треугольный сигнал, имеющий амплитуду от +1 до -1 и одинаковую частоту, но со смещением фазы на 180 относительно несущей Car1, показанной на фиг. 6.03. На несущую Car2 наложено заданное напряжение Vref.
На фиг. 8.1 представлена временная диаграмма сигнала управления элементарным выключателем Т1 ячейки Се10 типа ячейки с плавающим конденсатором второй ступени Et2. Этот элементарный выключатель Т1 пропускает, пока заданное напряжение Vref превышает Car1.
На фиг. 8.2 представлена временная диаграмма сигнала управления элементарным выключателем Т2 ячейки Се10 типа ячейки с плавающим конденсатором второй ступени Et2. Этот элементарный выключатель Т2 пропускает, пока заданное напряжение Vref превышает Car2.
Эти два сигнала управления являются сигналами прямоугольной формы на частоте несущих Car1 и Car2. Эта частота намного выше, чем частота сигналов управления элементарными выключателями T4u, T3u, T6u, T5u первой ступени, показанных на фиг. 6.1, 6.2, 7.1, 7.2, частота которых равна частоте выходного тока Is.
На фиг. 8.3 представлена временная диаграмма тока IT1, проходящего от элементарного выключателя Т2 к элементарному выключателю Т1.
На фиг. 8.4 представлена временная диаграмма тока ICf, проходящего от элементарного выключателя Т2 к конденсатору Cf.
На фиг. 8.3 представлена временная диаграмма выходного тока Is плеча преобразователя, показанного на фиг. 4А. Эти три последние временные диаграммы сравнивают с временными диаграммами на фиг. 8.6 и 8.7, которые являются диаграммами управления элементарного выключателя Т1 и элементарного выключателя Т2. Временные диаграммы на фиг. 8.3-8.7 имеют одинаковую базу времени. Базы времени на временных диаграммах на фиг. 6.03, 6.04, 8.1, 8.2 были расширены, чтобы более наглядно показать моменты переключения элементарных выключателей.
На фиг. 9.1 представлена временная диаграмма напряжения на клеммах нагрузки 10, подключенной на выходе плеча преобразователя, показанного на фиг. 4А, при этом выход происходит в узле S, общем для элементарных выключателей Т1 и Т1′ ячейки Се10.
На фиг. 9.2 представлена временная диаграмма выходного тока Is, проходящего в нагрузке, подключенной на выходе плеча преобразователя, показанного на фиг. 4А.
Можно заметить, что напряжение, показанное на фиг. 9.1, сосредоточено вокруг 0V, и его амплитуда колеблется от -3000 В до +3000 В. Здесь хорошо видны семь уровней напряжения. Напряжение меняется ступенями по 1000 В. Все значения, упомянутые в предыдущей таблице, являются положительными, и между этими величинами существует смещение на VDC/2. При моделировании, на основании которого получены временные диаграммы, сопротивление нагрузки 10 составляет 10 Ом, индуктивность равна 300 мГн, что дает максимальный ток 30А при эффективном значении 20 А.
На фиг. 10 показан вариатор скорости, который содержит расположенные в виде каскада заявленный преобразователь 1, работающий как выпрямитель AC/DC, и заявленный преобразователь 2, работающий как инвертор DC/AC, при этом между ними со стороны постоянного тока находится источник напряжения 3, такой как устройство накопления энергии. Выпрямитель 1 предназначен для подключения на входе к переменной сети электрического питания Re, которую можно уподобить источнику тока, такому как двигатель М переменного тока. На фиг. 10 представлен пример, в котором оба преобразователя 1 и 2 являются трехфазными. Каждый из них может содержать три плеча, такие как плечи, показанные на фиг. 4А, 4В.
Заявленный многоуровневый преобразователь является более компактным и легким, чем известные преобразователи с трансформатором. Его гораздо легче устанавливать и транспортировать. Его можно использовать с развязывающим трансформатором. При работе в режиме выпрямителя AC/DC его можно напрямую соединить с переменной сетью. Он позволяет оптимизировать гармоническое загрязнение электрической сети и корректировать коэффициент мощности при объединении с активным рекуперативным выпрямителем. Заявленный преобразователь совместим с переменной сетью до 13,8 кВ как в режиме инвертора, так и в режиме выпрямителя. Таким образом, нет необходимости использовать классически применяемый трансформатор адаптации уровня напряжения.
Заявленный преобразователь DC/AC можно использовать для питания парка несинхронных или синхронных двигателей, независимо от того, являются они новыми или уже существующими.
Заявленный преобразователь имеет модульную структуру, благодаря использованию ячеек типа NPC, ячеек с плавающим конденсатором и емкостных ячеек. За счет этого сокращаются расходы по обслуживанию и повышается надежность.
Форма волны питания нагрузки имеет хорошее качество, и перенапряжения со стороны источника тока ограничены и связаны только с соединительными проводами.
Для питания нескольких заявленных преобразователей можно применять общую постоянную шину.
Другим преимуществом заявленного преобразователя является то, что он не имеет ограничений в работе на низкой частоте, как в случае преобразователей с топологией ММС (Modular Multi-level Converter или модульный многоуровневый преобразователь), используемых в электропередачах энергетических сетей высокого напряжения.
1. Многоуровневый преобразователь, содержащий одно или несколько плеч (В), выполненных с возможностью подключения каждого из них между источником напряжения (VDC) и источником тока (I),
в котором плечо или каждое плечо содержит две соединенные в виде каскада ступени (E1, Е2), при этом первая ступень (Et1) предназначена для подключения к источнику напряжения (VDC), и вторая ступень (Et2) предназначена для подключения к источнику тока (I),
в котором первая ступень (Et1) содержит n соединенных в виде каскада элементарных ступеней (E11, …, E1n) с рангом от одного до n (n больше 1), при этом элементарная ступень (Е11) ранга 1 соединена со второй ступенью (Et2), и элементарная ступень (E1n) ранга n предназначена для подключения к источнику напряжения (VDC), отличающийся тем, что каждая элементарная ступень (E11, E1n) содержит пару последовательно соединенных идентичных ячеек типа NPC (Ce11, Се12; Cen1, Cen2), при этом соединение является прямым в элементарной ступени (E1) ранга 1, при этом соединение происходит через n-1 емкостных ячеек (Can(1), Can(n-1)) для каждой элементарной ступени ранга n (n больше 1), при этом вторая ступень (Et2) содержит ячейку с плавающим конденсатором (Се10).
2. Многоуровневый преобразователь по п. 1, в котором емкостная ячейка (Са2(1)) содержит два последовательно расположенных устройства накопления энергии (С3, С4), причем эти устройства накопления энергии имеют одинаковую емкость накопления энергии.
3. Многоуровневый преобразователь по п. 2, в котором в элементарной ступени ячейки типа NPC (Се21, Се22) содержат емкостный мост с двумя устройствами накопления энергии (C1, С2: С5, С6), имеющими одинаковую емкость накопления энергии, и в котором каждое устройство накопления энергии емкостной ячейки этой элементарной ступени имеет такую же емкость накопления энергии, что и одно из устройств накопления энергии ячейки типа NPC.
4. Многоуровневый преобразователь по п. 3, в котором все устройства накопления энергии (С1-С10) первой ступени (Et1) имеют одинаковую емкость накопления энергии.
5. Многоуровневый преобразователь по п. 1, в котором по меньшей мере одна из ячеек типа NPC (Се21) элементарной ступени (Е12) соединена с одной ячейкой типа NPC (Ce11) соседней элементарной ступени (Е11) через катушку индуктивности (Laux11).
6. Многоуровневый преобразователь по п. 1, в котором ячейка типа NPC содержит четверку последовательно расположенных элементарных выключателей (К11, К12, К21, К22), среди которых два находятся в крайнем положении и два - в среднем положении, в котором один элементарный выключатель (К11, К22) в крайнем положении и один элементарный выключатель (К21, К22) в среднем положении, которые не соединены напрямую, всегда находятся в комплементарных состояниях, одно из которых является пропускающим, а другое блокированным, причем эти два элементарных выключателя (К11, К21; К12, К22) образуют элементарную коммутационную ячейку.
7. Многоуровневый преобразователь по п. 6, в котором каждая ячейка типа NPC (Се21, Се22) имеет функцию преобразования, которая связывает напряжение, подаваемое на вход упомянутой ячейки, с напряжением, присутствующим на выходе упомянутой ячейки, и обе элементарные коммутационные ячейки упомянутой ячейки тоже имеют функцию преобразования.
8. Многоуровневый преобразователь по п. 7, в котором ячейки типа NPC (Се21, Се22) одной и той же элементарной ступени (Е11) имеют одинаковую функцию преобразования.
9. Многоуровневый преобразователь по п. 1, в котором коммутационная ячейка типа с плавающим конденсатором содержит четверку последовательно расположенных элементарных выключателей (К110, К120, К210, К220), среди которых два находятся в крайнем положении и два - в среднем положении, и в котором два элементарных выключателя (К110, К220) в крайнем положении всегда находятся в комплементарных состояниях, и два элементарных выключателя (К120, К210) в среднем положении всегда находятся в комплементарных состояниях, одно из которых является пропускающим, а другое - блокированным.
10. Многоуровневый преобразователь по п. 6, в котором в двух ячейках типа NPC (Се21, Се22) одной и той же элементарной ступени подобные элементарные выключатели (T6u, T6I) управляются одинаково.
11. Многоуровневый преобразователь по п. 6, в котором каждый из элементарных выключателей (К11, К12) содержит управляемый силовой электронный переключатель (T11, Т12), связанный с антипараллельно подключенным диодом (D11, D12).
12. Многоуровневый преобразователь по одному из пп. 2-11, в котором устройства накопления энергии (С1-С10, Cf) выбирают из конденсатора, батареи, топливного элемента.
13. Вариатор скорости, содержащий каскад с преобразователем (1) по одному из предыдущих пунктов, работающим в режиме выпрямителя AC/DC, и преобразователем (2) по одному из предыдущих пунктов, работающим в режиме инвертора DC/AC, соединенными между собой своими сторонами постоянного тока через источник напряжения (3).
