Многоуровневый преобразователь мощности
Изобретение относится к области преобразовательной техники. Многоуровневый преобразователь, содержит по меньшей мере одно плечо (B), состоящее из n ступеней (Et1, Et2, …, Etn), соединенных каскадом. Первая ступень (Et1) включает в себя единственную структуру (Ce10) коммутации с четырьмя уровнями напряжения, а i-я ступень (i лежит между 2 и n) содержит i одинаковых структур (Cei1, Cei2, …, Ceii) коммутации с четырьмя уровнями напряжения, соединенных последовательно. Каждая структура коммутации с четырьмя уровнями напряжения содержит звено (T1, T2, T1', T2', C12) с плавающим конденсатором, два базовых коммутационных звена (T3u, T3'u; T3I, T3'I) и емкостный мост – делитель (C9, C10, C11), базовые коммутационные звенья подсоединены между емкостным мостом - делителем напряжения и звеном с плавающим конденсатором. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ
Изобретение касается многоуровневого преобразователя мощности, в частности, предназначенного для работы в области среднего напряжения.
СОСТОЯНИЕ ПРЕДЫДУЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Известный преобразователь мощности среднего мощности обычно использует последовательно включенные полупроводниковые прерыватели для поднятия напряжения. Основная трудность при последовательном включении этих полупроводниковых прерывателей - получить идентичные напряжения на выводах всех этих полупроводниковых прерывателей в каждый момент времени. Если появляются кратковременные или постоянные перегрузки, может произойти разрушение полупроводниковых прерывателей.
Технологии, основанные на чередовании команд прерывателей, связанные с использованием трансформаторов, развиваются, они позволяют управлять распределением напряжений и восстанавливать формы волн. Но трансформаторы имеют значительную цену, и они препятствуют реализации компактных преобразователей.
Другое решение имеет место, оно касается звеньев типа NPC (от neutral point clamped или фиксированная нейтральная точка) с двумя парами последовательных полупроводниковых прерывателей, двумя последовательными диодами, подключенными с одной стороны к общей точке между двумя прерывателями первой пары и с другой стороны к общей точке между двумя прерывателями второй пары. Есть, кроме того, последовательность из двух конденсаторов, подключенных к выводам блока, образованного парами полупроводниковых прерывателей. Общая точка между двумя последовательными диодами связана с общей точкой между двумя конденсаторами последовательности.
Этот тип звена приводит к удовлетворяющей форме волны и к уменьшению ограничений напряжения на полупроводниковых прерывателях. Напротив, он может произвести разбалансированию напряжения на выводах конденсаторов.
Усовершенствования исходной топологии NPC произошли, путем замены двух диодов парой полупроводниковых прерывателей. Такая топология называется ANPC с 3 уровнями напряжения.
Для дальнейшего повышения допустимого уровня напряжения, было предложено поместить больше последовательных прерывателей и добавить конденсаторы, что приводит к топологии под названием ANPC с 5 уровнями напряжения. Звенья типа ANPC с 5 уровнями напряжения в настоящее время ограничены уровнем напряжения порядка 69 кВ, что не обязательно, достаточно.
Известны также модульные многоуровневые преобразователи (MMC от modular multilevel converter), в которых каждое плечо для крепления к выводам источника постоянного напряжения включает в себя два последовательных блока, имеющих общий вывод для подключения к источнику переменного тока. Каждый блок содержит несколько модулей, каждый из которых образован, по меньшей мере, двумя элементарными последовательными прерывателями и конденсатором, подсоединенным параллельно с ними. Соединение производится между точкой, общей для двух элементарных прерывателей модуля, и концом ряда элементарных прерывателей соседнего модуля. В зависимости замкнутого или разомкнутого состояния элементарных прерывателей модуля, конденсатор замкнут накоротко или в цепи. Конденсаторы имеют одну и ту же величину, и одинаковую устойчивость к напряжению, равную соотношению между напряжением постоянного тока, приложенного к плечу, деленным на количество модулей плеча. Величина конденсаторов зависит от частоты выходного сигнала на стороне переменного тока в случае функционирования в качестве инвертора или входного сигнала в случае функционирования в качестве выпрямителя. Их устойчивость к напряжению ограничена, что позволяет ограничить перенапряжения, порождаемые их паразитными индуктивностями. В случае вариатора скорости, частота питания двигателя варьируется от нуля до номинальной величины, что делает невозможным, иметь конденсатор разумной величины.
Кроме того, было предложено, реализовать звенья типа с плавающим конденсатором, также известные под названием взаимосвязанных элементарных звеньев. Такое звено типа с плавающим конденсатором позволяет соединить источник напряжения с источником тока путем объединения любого количества элементарных последовательных звеньев. Каждое элементарное звено содержит два последовательных полупроводниковых прерывателя и конденсатор, соединяющий между собой два соседних элементарных звена в виде лестницы. Однако, это решение имеет недостатки, связанные с наличием плавающего конденсатора между двумя элементарными звеньями. Чем больше число элементарных звеньев увеличивается, тем больше дополнительные затраты, связанные с конденсаторами, увеличиваются и, тем более количество энергии, хранящееся в этих конденсаторах, является важным. Конденсаторы имеют одинаковую величину, но различную устойчивость к напряжению, устойчивость к напряжению увеличивается с номером элементарного звена, оно равно kE/n, где k – номер элементарного звена, n - общее число элементарных звеньев и E - напряжение, приложенное к входу элементарного звена номер 1. Величина конденсаторов в основном связана с частотой переключения. Размер конденсаторов тем больше, чем выше устойчивость к напряжению. То же самое для паразитной индуктивности, которой они обладают. Эти паразитные индуктивности являются причиной коммутационных перенапряжений, более высокие перенапряжения, таким образом, появляются на элементарных звеньях высокого номера.
В статьях [1], [2], ссылки на которые находятся в конце описания, было предложено звено с тремя последовательными полупроводниковыми прерывателями, позволяющее получить 4 уровня напряжения включая звено с плавающим конденсатором. Однако, оно в настоящее время ограничено, с существующими полупроводниковыми прерывателями, на уровне напряжения приблизительно 6,6 кВ, что не является достаточным для некоторых применений, этот уровень соответствует только доли полезного диапазона среднего напряжения. Количество уровней напряжения влияет на поведение во времени изоляции двигателя, который будет питаться от звена. Чем меньше количество уровней напряжения, тем более уменьшен срок службы изоляции. Они подвержены уровням напряжения значительной амплитуды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено на создание многоуровневого преобразователя, способного работать при уровнях напряжения выше, чем уровни напряжения предшествующего уровня техники, без необходимости прибегать к трансформаторам или увеличивать количество последовательных полупроводниковых прерывателей.
Другой задачей настоящего изобретения является создание многоуровневого преобразователя, который дешевле и надежнее, чем многоуровневые преобразователи предшествующего уровня техники, для данного уровня напряжения.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание многоуровневого преобразователя, который использует группу стандартных конденсаторов с ограниченной устойчивостью к напряжению.
Кроме того, задачей изобретения является создание многоуровневого преобразователя, который ограничивает возникновение паразитной индуктивности и ее влияние.
Для достижения этой цели настоящее изобретение предлагает реализовать многоуровневый преобразователь, содержащий, по меньшей мере, одно плечо, образованное несколькими ступенями номером от 1 до n (n является целым числом больше 1), соединенными каскадом, ступень номер 1 предназначена быть подключенной к источнику тока, а ступень номер n предназначена быть подключенной к источнику напряжения. Ступень номер 1 включает в себя единственную структуру коммутации с четырьмя уровнями напряжения. Ступень номер i (i лежит между 2 и n) содержит i одинаковых структур коммутации с четырьмя уровнями напряжения, установленных последовательно. Каждая из этих структур коммутации включает в себя звено типа с плавающим конденсатором с тремя уровнями напряжения, содержащее четверку последовательных элементарных прерывателей имеющих срединный узел, два базовых звена, каждое из которых образовано парой последовательных элементарных прерывателей представляющих два крайних вывода и срединную точку и емкостный мост - делитель, имеющий два конца, включающих в себя тройку устройств хранения энергии, установленных последовательно, среди которых два устройства хранения энергии в крайнем положении. Каждое устройство хранения энергии в крайнем положении соединено с крайними выводами другого базового коммутационного звена, срединная точка каждого базового коммутационного звена подключена к другому концу четверки элементарных прерывателей. Срединный узел каждого звена типа с плавающим конденсатором ступени номер i подключен к концу емкостного моста -делителя структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения ступени номер i-1.
Преобразователь, определенный таким образом, позволяет достичь уровня напряжения порядка 13,8 кВ с прерывателями с ограниченной устойчивостью к напряжению (6,5 кВ), доступными в настоящее время, ограничивая число ступеней до двух и, следовательно, используя только шесть последовательных элементарных прерывателей.
Чтобы сбалансировать в напряжении структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения, устройства хранения энергии одного и того же емкостного моста - делителя имеют одинаковую емкость хранения энергии и одну и ту же устойчивость к напряжению.
Для соблюдения правил связи между источником напряжения и источником тока, срединный узел, по меньшей мере, одного звена типа с плавающим конденсатором ступени номер i связан с концом емкостного моста - делителя ступени i-1 через катушку индуктивности.
Когда несколько катушек индуктивности связывают ступень номер i со ступенью номер i-1, эти катушки индуктивности имеют одинаковое значение.
Две пары элементарных прерывателей двух базовых коммутационных звеньев одной и той же ступени имеют одну и ту же функцию коммутации.
При функционировании, элементарные прерыватели одной и той же пары всегда находятся в состояниях комплементарных к значению времени запаздывания.
В четверке элементарных прерывателей звена типа с плавающим конденсатором, два находятся в крайнем положении, а два находятся в среднем положении, два элементарных прерывателя в крайнем положении всегда находится в комплементарных состояниях, и два элементарных прерывателя в среднем положении всегда в комплементарных состояниях, один является замкнутым, а другой разомкнутым.
Элементарные прерыватели содержат, каждый, управляемый электронный коммутатор мощности, связанный с диодом, включенным антипараллельно.
Устройства хранения энергии выбраны среди конденсатора, батареи, топливного элемента.
Настоящее изобретение также относится к вариатору скорости, включающему в себя каскад с охарактеризованным таким образом преобразователем, работающим в качестве выпрямителя AC/DC, и с также охарактеризованным таким образом преобразователем, работающим в качестве инвертора DC/AC, соединенных друг с другом через их стороны с постоянным током с помощью источника напряжение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет лучше понято при чтении описания примеров реализации, не ограничивающих и приведенных в целях наглядности, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- Фиг. 1А иллюстрирует, очень схематично, плечо многоуровневого преобразователя объекта изобретения с n ступеней, установленных в каскад, Фиг. 1B представляет собой многоуровневый однофазный преобразователь, имеющий два плеча, аналогичных Фиг. 1А.
- Фиг. 2 показывает одну из структур коммутации с 4 уровнями напряжения многоуровневого преобразователя объекта изобретения.
- Фиг. 3А показывает плечо преобразователя объекта изобретения с двумя ступенями в процессе работы в качестве инвертора и Фиг. 3В показывает плечо преобразователя объекта изобретения с двумя ступенями в процессе работы в качестве выпрямителя.
- Фиг. с 4.1 по 4.13 иллюстрируют временные диаграммы опорного сигнала Vref (Фиг. 4.1), носителей, используемых с опорным напряжением Vref для управления элементарными прерывателями структуры коммутации с 4 уровнями напряжения, показанной на Фиг. 2: K1, K1' (Фиг. 4.2), K2, K2' (Фиг. 4.3), K3u, K3'u, K3I, K3'I (Фиг. 4.4), управляющих сигналов элементарных прерывателей структуры коммутации с 4 уровнями напряжения, показанной на Фиг. 2: K1 (Фиг. 4.5), K1'(Фиг. 4.6), K2 (Фиг. 4.7), K2' (Фиг. 4.8), K3u (Фиг. 4.9), K3'u (Фиг. 4.10), K3I (Фиг. 4.11), K3'I (Фиг. 4.12), выходного напряжения Vs структуры коммутации с 4 уровнями напряжения (Фиг. 4.13), в операции преобразования DC / AC.
- Фиг. с 5.1 по 5.14 иллюстрируют временные диаграммы опорного сигнала Vref (Фиг. 5.1), носителей, используемых с опорным напряжением Vref для управления элементарными прерывателями плеча многоуровневого преобразователя, показанного на Фиг. 3A: T1, T1'(Фиг. 5.2), T2, T2'(Фиг. 5.3), T3u, T3'u, T3I, T3'I (Фиг. 5.4), T4u, T4'u, T4I, Т4'I (Фиг. 5.5), T5u, T5'u, T5I, T5'I (Фиг. 5.6), T6u, T6'u, T6I, T6'I, T7u, T7'u, T7I, T7'I (Фиг. 5.7), функций коммутации, используемых для управления элементарными прерывателями плеча многоуровневого преобразователя фиг 3А: F10 (Фиг. 5.8), F20 (Фиг. 5.9), F30 (Фиг. 5.10), F40 (Фиг. 5.11), F50 (Фиг. 5.12), F60 (Фиг. 5.13), выходного напряжения Vs плеча многоуровневого преобразователя, показанного на Фиг. ЗА (Фиг. 5.14) в операции преобразования DC/AC.
- Фиг. 6 иллюстрирует пример вариатора скорости, объединяющего два многоуровневых преобразователя объекта настоящего изобретения, один работает как выпрямитель, а другой как инвертор.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Обращаясь к Фиг. 1A, которая показывает электрическую схему плеча B многоуровневого преобразователя предмета изобретения, в основной структуре. Он позволяет работать при напряжениях области среднего напряжения до приблизительно 13,8 кВ тогда, как устойчивость к напряжению существующих на сегодняшний день полупроводниковых прерывателей ограничена 6,5 кВ.
Он будет описан сначала в примере плеча преобразователя DC/AC.
Многоуровневый преобразователь, предмет изобретения, как показано на Фиг. 1В, содержит одно или более плечо B аналогичное тому, что показано на Фиг. 1А. Они предназначены, чтобы быть ветвями, каждая из которых между тех же двух источников электропитания, среди которых источник VDC напряжения и источник I тока. Два плеча используются в однофазном преобразователе. Три плеча используются в трехфазном конвертере.
Плечо B с Фиг. 1A предназначено для подключения между источником VDC напряжения и источник тока I. Тогда, преобразователь может работать как преобразователь DC/AC(инвертор) или как преобразователь AC/DC(выпрямитель). В случае преобразователя DC/AC, источник тока – источник переменного тока и может быть, например, электродвигателем например, а источник напряжения - является источником постоянного напряжения и может быть, например, шиной постоянного тока подключенной к выходу выпрямителя.
В случае преобразователя AC/DC, источник тока - переменный, и может быть, например, электрической сетью, а источник напряжения – постоянный, и может быть, например, конденсатором или аккумуляторной батареей.
Плечо B преобразователя, содержит n ступеней Et1, Et2, Eti, …, Etn соединенных между собой по каскадной схеме, n представляет собой целое число, большее или равное двум. Первая ступень Et1 или ступень выхода, в применении в качестве инвертора, предназначен для подключения к источнику тока I. Она представлена образованной последовательными сопротивлением R и катушкой индуктивности L на Фиг. 3А.
Ступень Etn номер n или ступень входа, в применении в качестве инвертора, предназначена для подключения к источнику VDC напряжения.
В конфигурации преобразователя AC/DC, первая ступень Et1 или ступень входа подключена к источнику тока, а ступень Etn номер n или ступень входа подключена к источнику напряжения. Вход и выход преобразователя переключаются, когда переходят от функционирования в качестве инвертора к функционированию в качестве выпрямителя и наоборот.
Нижеследующее описание основано на Фиг. 1А и функционировании в качестве преобразователя DC/AC.
Ступень Et1 номер 1 содержит одну коммутационную структуру Ce1O с четырьмя уровнями напряжения.
Ступень Eti номер i (i это целое число между 2 и n) включает в себя i идентичных структур Cei1, Cei2, …, Ceii коммутации с четырьмя уровнями напряжения, соединенных последовательно. Каждая из i структур Cei1, Cei2, …, Ceii коммутации c четырьмя уровнями напряжения ступени Eti номер i, подключена через катушку индуктивности Lauxi1, Lauxi2, …, Lauxii к ступени номер i-1. Ступень номер i-1 не представлена. Таким образом, на Фиг. 1А, ступень Et2 номер 2 имеет две структуры Ce21, Ce22 коммутации с четырьмя уровнями напряжения, которые связаны с помощью двух катушек индуктивности Laux21, Laux22 со ступенью Et1 номер 1.
Ступень Etn номер n включает n структур Cen1, Cen2, …, Cen(n-1), Cenn коммутации с четырьмя уровнями напряжения, которые связаны с помощью n катушек индуктивности Lauxn1, Lauxn2, … Lauxn(n-1), … Lauxnn со ступенью номер n-1. Ступень номер n-1 не представлена. Каждая из этих катушек индуктивностей эквивалентна источнику тока, чтобы соблюдать правила соединения между источником напряжения и источником тока. Катушки индуктивности, которые соединяют одни и те же две ступени, имеют одну и ту же величину. Напротив, катушки индуктивности, что не связывает те же две ступени, не обязательно имеют те же значения, но для простоты, мы можем выбрать то же значение.
Возможно, что соединение структуры коммутации ступени, какого бы то ни было номера, с предшествующей ей ступенью, будет сделано напрямую, без присутствия катушки индуктивности. Достаточно, чтобы существовала одна или несколько катушек индуктивностей между этой ступенью, какого бы то ни было номера, и предшествующей ей ступенью. Тогда, одна или несколько катушек индуктивностей, которые существуют, имеют повышенную величину по сравнению с тем, что они имели бы, если бы все катушки индуктивности присутствовали между двумя ступенями. Это гарантирует, что общая величина катушек индуктивностей, которые соединяют две последовательные ступени, является одинаковой, независимо от количества катушек индуктивностей. Для иллюстрации этого принципа, на Фиг. 1А, катушка индуктивности Laux22 показана пунктиром, что означает, что она может быть опущена.
Замечено, что напряжение VDC, прикладываемое к ступени Etn номер n разделено на n равных напряжений, связанных последовательно. Это входные напряжения структур коммутации с четырьмя уровнями напряжения ступени номер n. Эти напряжения помечены En1, En2, En(n-1), Enn.
Каждая структура коммутации от Ce10 до Cenn с четырьмя уровнями напряжения включает, как описано ниже, со ссылкой на описание Фиг. 3А, емкостной мост - делитель, который воплощает источник напряжения. Эти емкостные мосты - делители обозначены Ca10, для структуры Ce10 коммутации с четырьмя уровнями напряжения.
С другой стороны, возможно, что источник VDC напряжения формируется из n элементарных источников напряжения, каждый из которых соединен с одной из n структур Cen1, …, Cenn коммутации с четырьмя уровнями напряжения ступени Etn номер n, с выводами каждого из емкостных мостов - делителей. Напряжения En1, En2, En(n-1), En являются напряжениями на выводах емкостных мостов - делителей ступени номер n.
Выходы структур коммутации от Cen1 до Cenn с четырьмя уровнями напряжения рассматриваются как плавающие источники напряжения. Они связаны с помощью катушек индуктивности с емкостными мостами - делителями структур коммутации с четырьмя уровнями напряжения ступени номер n-1. Эти структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения ступени номер n-1, также считаются плавающими источниками напряжения. Катушки индуктивности между ступенью номер n и ступенью номер n-1 подобны источникам тока для соблюдения чередования источник напряжения - источник тока.
Компоненты n-ой ступени Etn выбирают таким образом, чтобы входное напряжение VDC было разделено на n равных входных напряжений, прикладываемых к каждой из n структур коммутации от Cen1 до Cenn с четырьмя уровнями напряжения. Таким образом, прикладывают VDC/n к каждой структуре коммутации с четырьмя уровнями напряжения n-ой ступени Etn.
Можно определить функцию преобразования f, связанную с каждой из структур коммутации с четырьмя уровнями напряжения, она связывает входное напряжение Ve, прикладываемое к указанной структуре коммутации с четырьмя уровнями напряжения, с напряжением Vs, представленное на выходе той же самой указанной структуры коммутации. Vs=f*Ve, с-1≤f≤1.
На каждом этапе, настраивают и управляют структурами коммутации с четырьмя уровнями напряжения, так что их связанные функции преобразования равны. Таким образом, напряжения, прикладываемые на входе каждой из структур коммутации с четырьмя уровнями напряжения равны VDC/n. Все структуры коммутации, с четырьмя уровнями напряжения, преобразователя должны выдерживать это напряжение VDC/n. Это соответствует начальной цели снижения ограничений напряжения на полупроводниковые прерыватели для данного постоянного напряжения, приложенного к ступени номер n.
Будет описана, со ссылкой на Фиг. 2, структура коммутации, с четырьмя уровнями напряжения, многоуровневого преобразователя объекта изобретения. Эта структура коммутации с четырьмя уровнями напряжения содержит звено 20 с плавающим конденсатором с тремя уровнями напряжения, первое и второе коммутационное звено 21 и 22 базы и емкостной мост – делитель 23.
Звено 20 с плавающим конденсатором включает в себя четверку элементарных прерывателей, соединенных последовательно, обозначенных K1, K2, K1', К2'. В этой четверке, первый элементарный прерыватель К2 и второй элементарный прерыватель К2' находятся в крайнем положении, и первый элементарный прерыватель K1 и второй элементарный прерыватель К1' находятся в среднем положении, два элементарных прерывателя К1, K1' в среднем положении непосредственно соединены друг с другом в срединном узле M. В четверке, элементарный прерыватель в крайнем положении непосредственно соединен с элементарным прерывателем в среднем положении. Это подключение позволяет определить первую срединную точку M1 между первым элементарным прерывателем K2 в крайнем положении и первым элементарным прерывателем K1 в среднем положении и вторую серединную точку М1' между вторым элементарным прерывателем K2' в крайнем положении и вторым элементарным прерывателем K1' в среднем положении. Концы четверки последовательных прерывателей K1, K2, K1', К2' обозначены М2 и М2', конец M2 находится на стороне элементарного прерывателя К2, а конец М2' находится на стороне элементарного прерывателя К2'.
Устройство C хранения энергии подключено между первой срединной точкой M1 и второй срединной точкой M1'.
Определим две функции коммутации в звене 20 с плавающим конденсатором. Первая функция коммутации F1 используется для управления первой парой прерывателей, содержащей первый элементарный прерыватель K1 в среднем положении и второй элементарный прерыватель K1' в среднем положении. Вторая функция коммутации F2 используется для управления второй парой прерывателей, содержащей первый элементарный прерыватель K2 в крайней позиции и второй элементарный прерыватель К2' в крайней позиции. Два элементарных прерывателя одной и той же пары всегда находятся в комплементарных состояниях, замкнутом или разомкнутом, к значению времени запаздывания. Это время запаздывания будет разъяснено позже в связи с фиг. 5.
Элементарные прерыватели K1, K2, K1', К2' звена 20 с плавающим конденсатором являются полупроводниковыми прерывателями и каждый из них содержит управляемый электронный силовой коммутатор Tr1, Tr2, Tr1', Tr2', такой как например силовой транзистор IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor (Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором), например, связанный с диодом D1, D2, D1', D2' соединенным антипараллельно. Вместо IGBT транзисторов, другие электронные силовые коммутаторы, такие как MOSFET(МОП) транзисторы или другие транзисторы, могут быть предусмотрены.
Функция коммутации F1 равна 1, когда элементарный прерыватель K1 замкнут и элементарный прерыватель K1' разомкнут, и равна 0, если элементарный прерыватель K1 разомкнут, а элементарный прерыватель K1' замкнут.
Функция коммутации F2 равна 1, когда элементарный прерыватель K2 замкнут и элементарный прерыватель K2' разомкнут, и равна 0, если элементарный прерыватель K2 разомкнут, а элементарный прерыватель K2' замкнут.
Каждое из базовых коммутационных звеньев 21, 22 включает в себя пару элементарных прерывателей, установленных последовательно. Они обозначены K3u, K3'u, для первого базового коммутационного звена 21, и K3I, K3'I, для второго базового коммутационного звена 22. В паре, два элементарных прерывателя имеют срединную точку. Для базового коммутационного звена 21, центральная точка соединена с концом М2 четверки звена 20 с плавающим конденсатором. Для базового коммутационного звена 22, средняя точка соединена с концом М2' четверки звена 20 с плавающим конденсатором.
Каждое базовое коммутационное звено 21, 22 также содержит первый и второй крайний вывод. Первый крайний вывод обозначен М3, второй крайний вывод обозначен M4 для первого базового коммутационного звена 21. Первый крайний вывод обозначен М3', второй крайний вывод обозначен M4', для второго базового коммутационного звена 22. Первые два крайних вывода М3 и М3' образуют два входных вывода структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения, в то время как вывод М образует выходной вывод в операции преобразования DC/AC.
Элементарные прерыватели K3u, K3'u, K3I, K3'I двух базовых коммутационных звеньев 21, 22, также являются полупроводниковыми прерывателями, и каждый из них содержит управляемый электронный силовой коммутатор, такой как силовой транзистор IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor (Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором)), например, связанный с диодом, включенным антипараллельно. Эти диоды и силовые транзисторы не были указаны, чтобы избежать перегрузки фигуры. Вместо IGBT транзисторов, другие электронные силовые коммутаторы, такие как MOSFET(МОП) транзисторы или другие транзисторы, могут быть предусмотрены.
Определим третью функцию F3 коммутации для управления элементарными прерывателями базовых коммутационных звеньев 21 и 22. Элементарный прерыватель K3u и элементарный прерыватель K3I управляются одинаково. Два элементарных прерывателя K3u, K3'u базового коммутационного звена 21 всегда в противоположных состояниях. То же самое для элементарных прерывателей K3I, K3'I базового коммутационного звена 22.
Функция F3 коммутации равна 1, когда элементарные прерыватели K3u, K3I замкнуты и элементарные прерыватели K3'u, K3'I разомкнуты и равна 0, когда элементарные прерыватели K3u, K3I разомкнуты и элементарные прерыватели K3'u, K3'I замкнуты.
Емкостный мост - делитель 23 включает в себя тройку устройств C100, C200 и C300 хранения энергии, соединенных последовательно. Первое устройство C100 хранения энергии подключено к выводам первого базового коммутационного звена 21, между его крайними выводами М3, М4. Третье устройство C300 хранения энергии установлено к выводам второго базового коммутационного звена 22 между его первым и вторым крайними выводами М3', M4'. Второе устройство С200 хранения энергии подключено между первым базовым коммутационным звеном 21 и вторым базовым коммутационным звеном 22, между вторыми крайними выводами базовых коммутационных звеньев. Емкостной мост - делитель 23 имеет два крайних вывода М3 и M'3, которые общие соответственно для первого базового коммутационного звена 21 и второго базового коммутационного звена 22.
Устройства хранения энергии этой структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения выбраны из конденсатора, батареи, топливного элемента. Устройства хранения емкостного моста - делителя 23 имеют одинаковую емкость хранения и одинаковую устойчивость к напряжению.
Согласно состояниям элементарных прерывателей структуры коммутации с Фиг. 2, структура коммутации с четырьмя уровнями напряжения может принять восемь различных состояний, которые приводят к четырем различным уровням напряжения: 0, Ve/3, 2VE/3, Ve.
В следующей таблице перечислены восемь различных состояний, пронумерованных от 1 до 8. Функция F коммутации упомянутая выше, зависит от функций коммутации F1, F2 и F3.
| Состояние | F1 | F2 | F3 | Vs |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 1 | 0 | 1 | Ve/3 |
| 3 | 0 | 1 | 0 | Ve/3 |
| 4 | 1 | 1 | 1 | 2Ve/3 |
| 5 | 0 | 0 | 0 | Ve/3 |
| 6 | 1 | 0 | 1 | 2Ve/3 |
| 7 | 0 | 1 | 0 | 2Ve/3 |
| 8 | 1 | 1 | 1 | Ve |
С учетом вышеизложенного, входное напряжение Ve, которое прикладывается к выводам емкостного моста – делителя 23, разделяется на три равных напряжения E1, E2, E3, каждое из которых прикладываются соответственно к выводам одного из устройств хранения энергии C100, C200, C300. Выходное напряжение Vs определяется по формуле:
Vs=(F1+F2+F3)VE/3.
Напряжение Vs берется между узлом M и узлом M'3.
На Фиг. 4.1 показано поведение опорного сигнала, также называемого опорным напряжением Vref, которое будет использоваться, в частности, для определения моментов коммутации всех элементарных прерывателей структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения, показанной на фиг. 2. Это опорное напряжение Vref будет использоваться в нескольких сравнениях, как будет видно из дальнейшего. Это синусоидальное напряжение и выходное напряжение Vs показано на фиг 4,13, находится в фазе с опорным напряжением Vref.
На Фиг. 4.2 показана временная диаграмма несущего сигнала Car1 используемого с опорным напряжением Vref для реализации функции коммутации F1 и определения моментов времени коммутации элементарных прерывателей K1, K1' звена 20 с плавающим конденсатором. Это треугольный несущий сигнал, амплитуда которого между -1 и +1.
На Фиг. 4.3 показана временная диаграмма несущего сигнала Car2, используемого с опорным напряжением Vref для реализации функции коммутации F2 и определения моментов времени коммутации элементарных прерывателей К2, К2' звена 20 с плавающим конденсатором. Это треугольный несущий сигнал, амплитуда которого между -1 и +1. Два несущих сигнала Car1 и Car2 смещены по фазе на полупериод среза. Частота среза значительно выше, чем частота выходного напряжения Vs, показанного на фиг 2.
На Фиг. 4.4 показана временная диаграмма несущего сигнала Car3 используемого с опорным напряжением Vref для реализации функции коммутации F3 и определения моментов времени коммутации элементарных прерывателей K3u, K3'u, K3I, K3'I базовых коммутационных звеньев 21, 22. Это постоянный сигнал с амплитудой 0.6.
Моменты времени коммутации элементарных прерывателей получены путем сравнения треугольных и постоянных несущих сигналов и опорного сигнала Vref. Можно определить, как правило, к примеру, что момент времени коммутации элементарного прерывателя происходит, когда опорный сигнал строго больше несущего сигнала. Можно, конечно, установить правило, что момент времени коммутации элементарного прерывателя происходит, когда опорный сигнал превышает или равен несущему сигналу.
Фиг. 4.5 представляет собой временную диаграмму управляющего сигнала элементарного прерывателя K1 звена 20 с плавающим конденсатором. Это сигнал с зубцами, период которых, равен периоду опорного сигнала Vref. Элементарный прерыватель K1 замкнут, пока опорное напряжение Vref выше несущего сигнала Car1.
Фиг. 4.6 представляет собой временную диаграмму управляющего сигнала элементарного прерывателя K1' звена 20 с плавающим конденсатором. Это сигнал с зубцами в противофазе по отношению к управляющему сигналу элементарного прерывателя K1 в значении времени запаздывания.
Фиг. 4.7 представляет собой временную диаграмму управляющего сигнала элементарного прерывателя К2 звена 20 с плавающим конденсатором. Это сигнал с зубцами с периодом, равным периоду опорного сигнала Vref. Элементарный прерыватель К2 замкнут, пока опорное напряжение Vref выше несущего сигнала Car2.
Фиг. 4.8 представляет собой временную диаграмму управляющего сигнала элементарного прерывателя К2' звена 20 с плавающим конденсатором. Это сигнал с зубцами в противофазе по отношению к управляющему сигналу элементарного прерывателя К2 в значении времени запаздывания.
Фиг. 4.9 представляет собой временную диаграмму управляющего сигнала элементарного прерывателя K3u базового коммутационного звена 21. Это сигнал с зубцами, период которого равен периоду опорного сигнала Vref. Элементарный прерыватель K3u замкнут, пока опорное напряжение Vref выше несущего сигнала Car3. Он замкнут только один раз за период опорного сигнала Vref.
Фиг. 4.10 представляет собой временную диаграмму управляющего сигнала элементарного прерывателя K3'u базового коммутационного звена 21. Это сигнал с зубцами в противофазе по отношению к управляющему сигналу элементарного прерывателя K3u в значении времени запаздывания.
Фиг. 4.11 представляет собой временную диаграмму управляющего сигнала элементарного прерывателя K3I базового коммутационного звена 22. Это сигнал с зубцами, период которого равен периоду опорного сигнала Vref. Элементарный прерыватель K3I замкнут, пока опорное напряжение Vref выше несущего сигнала Car3. Он замкнут только один раз за период опорного сигнала Vref.
Фиг. 4.12 представляет собой временную диаграмму управляющего сигнала элементарного прерывателя K3'I базового коммутационного звена 22. Это сигнал с зубцами в противофазе по отношению к управляющему сигналу элементарного прерывателя K3I в значении времени запаздывания.
На Фиг. 4.13 показана временная диаграмма выходного напряжения Vs структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения, с фиг. 2, на которой отчетливо видны четыре уровня напряжения: 0V, 2000V, 4000V, 6000V.
Теперь сосредоточимся на примере плеча B преобразователя, объекта изобретения, имеющего только две ступени Et1, Et2 и, следовательно, три структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения Ce10, Ce21, Ce22, как это представлено на Фиг. 2.
Кратко опишем это плечо со ссылкой на фиг 3А. Это плечо сконфигурировано для выполнения преобразования DC/AC. В последующем описании для упрощения, устройства хранения энергии названы конденсаторами. Это не является ограничительным. Единственная структура Ce10 коммутации с четырьмя уровнями напряжения ступени Et1 номер 1 содержит звено с плавающим конденсатором, образованное крайними элементарными прерывателями T2, T2', средними элементарными прерывателями T1, T1', и конденсатором C12, первое базовое коммутационное звено с элементарными прерывателями T3u и T3'u, второе базовое коммутационное звено с элементарными прерывателями T3I и T3'I, емкостный мост - делитель с конденсаторами С9, С10, С11. Конденсатор С9 и конденсатор С10 имеют общий узел N7, конденсатор С10 и конденсатор С11 имеют общий узел N8.
Первая структура Ce21 коммутации с четырьмя уровнями напряжения второй ступени Et2, подключенная через катушку индуктивности Laux21 к первому базовому коммутационному звену первой ступени Et1 на уровне узла N6, имеет звено с плавающим конденсатором, образованное крайними элементарными прерывателями T5u, T5'u, средними элементарными прерывателями T4U, T4'u и конденсатором С7, первое базовое коммутационное звено с элементарными прерывателями T6u и T6'u, второе базовое коммутационное звено с элементарными прерывателями T7u и T7'u, емкостный мост - делитель с конденсаторами C1, C2, C3. Конденсатор C1 и конденсатор С2 имеют общий узел N1, конденсатор C2 и конденсатор C3 имеют общий узел N2.
Вторая структура Ce22 коммутации с четырьмя уровнями напряжения второй ступени Et2, подключенная через катушку индуктивности Laux22 на уровне узла N9 ко второму базовому коммутационному звену первой ступени Et1, содержит звено с плавающим конденсатором, образованное крайними элементарными прерывателями T5I, T5'I, средними элементарными прерывателями T4I, T4'I и конденсатором C8, первое базовое коммутационное звено с элементарными прерывателями T7I и T7'I, второе базовое коммутационное звено с элементарными прерывателями T6I и T6'I, емкостный мост - делитель с конденсаторами С4, С5, С6. Конденсатор С3 и конденсатор C4 имеют общий узел N3, конденсатор С5 и конденсатор С6 имеют общий узел N5.
Два емкостных моста - делителя С1-С3, С4-С6 второй ступени Et2 соединены последовательно.
Источник VDC напряжения предназначен для подключения между крайними выводами двух емкостных мостов - делителей. Таким образом, вывод Е+ соответствует выводу конденсатора C1, не связанному с другим конденсатором, а вывод Е соответствует выводу конденсатора С6, не связанному к другим конденсатором.
В дальнейшем, ради упрощения, ссылка VDC представляет одновременно и источник напряжения, и напряжение на выводах этого источника напряжения.
Напряжение VDC разделено на две группы по три одинаковых напряжения Е1-Е3 и Е4-E6, напряжение E1 прикладывается к выводам конденсатора C1, напряжение Е2 прикладывается к выводам конденсатора С2, напряжение Е3 прикладывается к выводам конденсатора С3, напряжение Е4 прикладывается к выводам конденсатора С4, напряжение Е5 прикладывается к выводам конденсатора C5, напряжение E6 прикладывается к выводам конденсатора С6. Напряжение на выводах конденсатора С7 называют Е7. Напряжение на выводах конденсатора С8 называют E8. Напряжение на выводах конденсатора С12 называют Е12.
Плавающее напряжение Ef доступно между выводами N6, N9 катушек индуктивности Laux21, Laux22, на стороне структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения первой ступени Et1. Это плавающее напряжение Ef используется в качестве входного напряжения первой ступени Et1, оно разделено на три плавающих напряжения равных E9, E10, E11, прикладываемых, соответственно, к выводам конденсаторов C9, C10, C11.
Называют fc1 функцию преобразования, которая связывает входное напряжение Ef и выходное напряжение Es структуры Ce10 коммутации с четырьмя уровнями напряжения первой ступени Et1. Входное напряжение Ef структуры Ce10 коммутации соответствует E9+E10+E11. Выходное напряжение Es структуры Ce10 коммутации берется между узлом N9 и узлом S.
Называют fc2 функцию преобразования, которая связывает входное напряжение VDC/2 и выходное напряжение VN3N6 первой структуры Ce21 коммутации с четырьмя уровнями напряжения второй ступени Et2. Входное напряжение VDC/2 структуры Ce21 коммутации с четырьмя уровнями напряжения соответствует E1+E2+E3. Выходное напряжение VN6N3 структуры преобразования Ce21 берется между узлом N3 и узлом N6.
Называют fc3 функцию преобразования, которая связывает входное напряжение VDC/2 и выходное напряжение VE-N9 второй структуры Ce22 коммутации с четырьмя уровнями напряжения второй ступени Et2. Входное напряжение VDC/2 структуры Ce22 коммутации с четырьмя уровнями напряжения соответствует Е4+Е5+E6. Выходное напряжение VE-N9 структуры преобразования Ce22 берется между узлом Е и узлом N9.
Выбирая компоненты двух структур коммутации с четырьмя уровнями напряжения Ce21 и Ce22 второй ступени Et2, так что напряжения, которые прикладываются к выводам двух емкостных мостов - делителей, равны VDC/2, и, выбирая функции преобразования, равные fc2 и fc3, напряжения, прикладываемые на вход каждой из трех структур Ce10, Ce21, Ce22 коммутации с четырьмя уровнями напряжения, равны VDC/2. Существует сбалансированное распределение напряжений между каждой структурой коммутации с четырьмя уровнями напряжения. Эти структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения поддерживают только половину входного напряжения, что соответствует поставленной цели.
На плече, показанном на фиг. 3А, команды элементарных прерывателей T3u и T3I идентичны, команды элементарных прерывателей T4u и T4I идентичны, команды элементарных прерывателей T5u и T5I идентичны, команды элементарных прерывателей T6u и T6i идентичны, команды элементарных прерывателей T7u и T7I идентичны. Кроме того, как указано выше в описании фиг. 2, команды элементарных прерывателей T6u и T7u идентичны и команды элементарных прерывателей T6I и T7I являются идентичными.
С этими тремя структурами коммутации с четырьмя уровнями напряжения, такое плечо B имеет шесть функций коммутации F10, F20, F30, F40, F50, F60.
Функция коммутации F10 используется для управления парой элементарных прерывателей T1, T1', в среднем положении, звена с плавающим конденсатором структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения первой ступени Et1.
Функция коммутации F20 используется для управления парой элементарных прерывателей T2, T2, в крайнем положении, звена с плавающим конденсатором структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения первой ступени Et1.
Функция коммутации F30 используется для управления элементарными прерывателями T3u, T3'u, T3i, T3'I базовых коммутационных звеньев структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения первой ступени Et1.
Функция коммутации F40 используется для управления парами элементарных прерывателей T4U, T4'u, T4I, T4'I , в среднем положении, двух звеньев с плавающим конденсатором, расположенных в структурах коммутации с четырьмя уровнями напряжения второй ступени Et2.
Функция коммутации F50 используется для управления парами элементарных прерывателей T5u, T5'u, T5I, T5'I , в крайнем положении, двух звеньев с плавающим конденсатором, расположенных в структурах коммутации с четырьмя уровнями напряжения второй ступени Et2.
Функция коммутации F60 используется для управления элементарными прерывателями T6u, T6'u, T7u, T7'u, T7I, T7'I, T6I, T6'I, базовых коммутационных звеньев структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения второй ступени Et2. Можно обратиться к описанию фиг. 2, в том, что касается значений, принимаемых этими функциями коммутации, в зависимости от замкнутого или разомкнутого состояния элементарных прерывателей.
Преобразователь по Фиг. 3А позволяет получить на выходе 7 различных уровней напряжения 0, VDC/6, 2VDC/6, 3VDC/6, 4VDC/6, 5VDC/6, VDC между узлами S и Е- и 64 состояния в зависимости от замкнутого или разомкнутого состояния его элементарных прерывателей.
В следующей таблице были сгруппированы 64 различных состояния, также как и 7 соответствующих уровней напряжения Vs на выходе первой ступени Et1. Напряжение Vs берется между узлом S и выводом E-. Выходное напряжение Vs выражается:
Vs=[F10+F20+F30+F40+F50+F60]VDC/2.
| Etat | F10 | F20 | F30 | F40 | F50 | F60 | Vs |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | VDC/6 |
| 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 | 0 | 0 | 0 | VDC/6 |
| 10 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 2VDC/6 |
| 11 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 2VDC/6 |
| 12 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 3VDC/6 |
| 13 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 2VDC/6 |
| 14 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 3VDC/6 |
| 15 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | VDC/6 |
| 16 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 3VDC/6 |
| 17 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | VDC/6 |
| 18 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 2VDC/6 |
| 19 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 2VDC/6 |
| 20 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 2VDC/6 |
| 21 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 2VDC/6 |
| 22 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 3VDC/6 |
| 23 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 3VDC/6 |
| 24 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 4VDC/6 |
| 25 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 2VDC/6 |
| 26 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 3VDC/6 |
| 27 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 3VDC/6 |
| 28 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 4VDC/6 |
| 29 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 3VDC/6 |
| 30 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 4VDC/6 |
| 31 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 4VDC/6 |
| 32 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 4VDC/6 |
| 33 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | VDC/6 |
| 34 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 2VDC/6 |
| 35 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 2VDC/6 |
| 36 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 3VDC/6 |
| 37 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 2VDC/6 |
| 38 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 3VDC/6 |
| 39 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 3VDC/6 |
| 40 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 4VDC/6 |
| 41 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 2VDC/6 |
| 42 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 3VDC/6 |
| 43 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 3VDC/6 |
| 44 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 4VDC/6 |
| 45 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 3VDC/6 |
| 46 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 4VDC/6 |
| 47 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 4VDC/6 |
| 48 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 4VDC/6 |
| 49 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2VDC/6 |
| 50 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 3VDC/6 |
| 51 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 3VDC/6 |
| 52 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 4VDC/6 |
| 53 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 3VDC/6 |
| 54 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 4VDC/6 |
| 55 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 4VDC/6 |
| 56 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 4VDC/6 |
| 57 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 3VDC/6 |
| 58 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 4VDC/6 |
| 59 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 4VDC/6 |
| 60 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 5VDC/6 |
| 61 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 4VDC/6 |
| 62 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 5VDC/6 |
| 63 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 5VDC/6 |
| 64 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | VDC |
Анализируя эту таблицу, видно, что несколько состояний, и таким образом, несколько конфигураций элементарных прерывателей приведут к одному и тому же напряжению Vs. Эта степень свободы интересна, для поддержания балансировки плавающих напряжений. Эту степень свободы используют, чтобы сохранить балансировку напряжений конденсаторов.
На Фиг. 5.1 показано поведение опорного напряжения Vref, которое будет использоваться, в частности, для определения моментов времени коммутации всех элементарных прерывателей плеча B, показанного на Фиг. 3А. Оно соответствует тому, что показано на Фиг. 4.1. Оно находится в фазе с выходным напряжением Vs ступени Et1, взятым между узлом S и узлом E, показанным на Фиг. 5.14.
На Фиг. 5.2 показана временная диаграмма несущего сигнала Car10, используемого с опорным напряжением Vref для реализации функции коммутации F10 и определения моментов времени коммутации элементарных прерывателей T1, T1' структуры Ce10 коммутации с четырьмя уровнями напряжения первой ступени Et1. Это треугольный несущий сигнал, амплитуда которого между -1 и +1.
На Фиг. 5.3 показана временная диаграмма несущего сигнала Car20 используемого с опорным напряжением Vref для реализации функции коммутации F20 и определения моментов времени коммутации элементарных прерывателей T2, T2', в крайнем положении, звена с плавающим конденсатором, структуры Ce10 коммутации с четырьмя уровнями напряжения первой ступени Et1. Это треугольный несущий сигнал, амплитуда которого между -1 и +1. Несущий сигнал Car20 сдвинут на π или на 1/2fsw по отношению к несущему сигналу Car10. Величина fsw является частотой среза, она значительно выше, чем частота выходного напряжения Vs, показанного на Фиг. 5.14.
На Фиг. 5.4 показана временная диаграмма несущего сигнала Car30 используемого с опорным напряжением Vref для реализации функции коммутации F30 и определения моментов времени коммутации элементарных прерывателей T3u, T3'u, T3I, T3'I базовых коммутационных звеньев структуры Ce10 коммутации с четырьмя уровнями напряжения первой ступени Et1. Несущий сигнал Car30 сдвинут на π/2 или на 1/fsw по отношению к несущему сигналу Car10.
На Фиг. 5.5 показана временная диаграмма несущего сигнала Car40, используемого с опорным напряжением Vref для реализации функции коммутации F40 и определения моментов времени коммутации элементарных прерывателей T4u, T4'u, T4I, T4'I, в средней позиции, двух звеньев с плавающим конденсатором, расположенных в структурах Ce21, Ce22 коммутации с четырьмя уровнями напряжения второй степени Et2. Это постоянный сигнал с амплитудой -2/3.
На Фиг. 5.6 показана временная диаграмма несущего сигнала Car50 используемого с опорным напряжением Vref для реализации функции коммутации F50 и определения моментов времени коммутации элементарных прерывателей T5u, T5'u, T5I, T5'I, в крайнем положении, двух звеньев с плавающим конденсатором, расположенных в структурах Ce21, Ce22 коммутации с четырьмя уровнями напряжения второй ступени Et2. Это постоянный сигнал нулевой амплитуды.
На Фиг. 5.7 показана временная диаграмма несущего сигнала Car60 используемого с опорным напряжением Vref для реализации функции коммутации F60 и определения моментов времени коммутации элементарных прерывателей T6u, T6'u, T7u, T7'u, T7I, T7'I, T6I, T6'I базовых коммутационных звеньев структур Ce21, Ce22 коммутации с четырьмя уровнями напряжения. Это постоянный сигнал с амплитудой +2/3.
Моменты времени коммутации элементарных прерывателей получены путем сравнения между треугольными и постоянными несущими сигналами и опорным сигналом Vref. Может быть определено, как правило, к примеру, что время коммутации элементарного прерывателя происходит, когда опорный сигнал строго больше несущего сигнала. Можно было бы, конечно, установить правило, что время коммутации элементарного прерывателя происходит, когда опорный сигнал превышает или равен несущему сигналу.
На Фиг. 5.8 показана временная диаграмма функции коммутации F10 используемой для управления парой элементарных прерывателей T1, T1', в среднем положении, звена с плавающим конденсатором структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения первой ступени Et1. Это сигнал с зубцами, период которого равен периоду частоты среза fsw. Функция коммутации F10 находится на уровне 1, до тех пор, пока опорное напряжение Vref выше несущего сигнала Car10.
Управления двух прерывателей T1 и T1' пары получены из функции коммутации F10. Управление элементарного прерывателя T1 аналогично функции коммутации F10 с той разницей, что нарастающий фронт зубцов задерживается на время запаздывания по отношению к нарастающему фронту зубцов функции коммутации F10. Напротив, задний фронт зубцов для управления элементарным прерывателем T1 синхронизирован с задним фронтом зубцов функции коммутации F10. Управление элементарного прерывателя T1' похоже на функцию комплементарную функции коммутации F10 с той разницей, что нарастающий фронт зубцов задерживается на время запаздывания по сравнению с нарастающим фронтом зубцов комплементарной функции. Напротив, задний фронт зубцов для управления элементарным прерывателем T1' синхронизирован с задним фронтом зубцов функции комплементарной функции коммутации F10. Два элементарных прерывателя T1, T1' пары находятся в состояниях комплементарных к значению времени запаздывания.
Фиг. 5.9 представляет собой временную диаграмму функции коммутации F20 используемой для управления парой элементарных прерывателей T2, T2' структуры Ce10 коммутации с четырьмя уровнями напряжения первой ступени Et1. Это сигнал c зубцами, период которого равен частоте коммутации fsw. Функция коммутации F20 находится на уровне 1, пока опорное напряжение Vref выше, чем несущий сигнал Car20. То, что только что было объяснено об управлении элементарными прерывателями T1, T'1 и времени запаздывания применяется для управления парой элементарных прерывателей T2, Т'2 на основе сигнала с зубцами функции коммутации F20. Два элементарных прерывателя T2, T2' пары находятся в состояниях комплементарных к значению времени запаздывания.
Фиг. 5.10 представляет собой временную диаграмму функции коммутации F30, используемой для управления парами элементарных прерывателей (T3u, T3'u) и (T3i, TT3) базовых коммутационных звеньев структуры Ce10 коммутации с четырьмя уровнями напряжения первой ступени Et1. Это сигнал с зубцами, период которого равен периоду частоты среза fsw. Функция коммутации F30 находится на уровне 1, пока опорное напряжение Vref выше, чем несущий сигнал Car30. То, что только что было объяснено об управлении элементарными прерывателями T1, T'1 и времени запаздывания применяется для управления парами элементарных прерывателей (T3u, T3'u) и (T3I, Т3'I) на основе сигнала с зубцами функции коммутации F30. Два элементарных прерывателя каждой пары (T3u, T3'u) и (T3I, T3'I) находятся в состояниях комплементарных к значению времени запаздывания.
Фиг. 5.11 представляет собой временную диаграмму функции коммутации F40, используемой для управления парами элементарных прерывателей (T4U, T4'u) и (T4I, T4'I), в среднем положении, двух звеньев типа с плавающим конденсатором расположенных в структурах Ce21, Ce22 коммутации с четырьмя уровнями напряжения второй степени Et2. Это сигнал с зубцами, период которого равен периоду опорного сигнала Vref. Функция коммутации F40 находится на уровне 1, пока опорное напряжение Vref выше, чем несущий сигнал Car40. То, что только что было объяснено об управлении элементарных прерывателей T1, T'1 и времени запаздывания применяется для управления парами элементарных прерывателей (T4U, T4'u) и (T4I, Т4'I) на основе сигнала с зубцами функции коммутации F40. Два элементарных прерывателя каждой пары (T4u, T4'u) и (T4I, T4'I) находятся в состояниях комплементарных к значению времени запаздывания.
Фиг. 5.12 представляет собой временную диаграмму функции коммутации F50 , используемой для управления парами элементарных прерывателей (T5u, T5'u) и (T5I, T5'I), в крайнем положении, двух звеньев с плавающим конденсатором расположенных в структурах Ce21, Ce22 коммутации с четырьмя уровнями напряжения второй ступени Et2. Это сигнал с зубцами, период которого равен периоду опорного сигнала Vref. Функция коммутации F50 находится на уровне 1, пока опорное напряжение Vref выше, чем несущий сигнал Car50. То, что только что было объяснено об управлении элементарных прерывателей T1, T'1 и времени запаздывания применяется для управления парами элементарных прерывателей (T5u, T5'u) и (T5I, T5'I) на основе сигнала с зубцами функции коммутации F50. Два элементарных прерывателя каждой пары (T5u, T5'u) и (T5I, T5'I) находятся в состояниях комплементарных к значению времени запаздывания.
Фиг. 5.13 представляет собой временную диаграмму функции коммутации F60, используемой для управления парами элементарных прерывателей (T6u, T6'u), (T7u, T7'u) и (T6I, T6'l), (T7I, Т7'I) базовых коммутационных звеньев структур Ce21, Ce22 коммутации с четырьмя уровнями напряжения второй ступени Et2. Это сигнал с зубцами, период которого равен периоду опорного сигнала Vref. Функция коммутации F60 находится на уровне 1, пока опорное напряжение Vref больше, чем несущий сигнал Car60. То, что только что было объяснено об управлении элементарных прерывателей T1, T'1 и времени запаздывания, применяется для управления парами элементарных прерывателей (T6u, T6'u), (T7u, Т7'u) и (T6I, T6'I), (T7I, T7'I) на основе сигнала с зубцами функции коммутации F60. Два элементарных прерывателя каждой пары (T6u, T6'u), (T7u, T7'u) и (T6I, T6'I), (T7I, T7'I) находятся в состояниях комплементарных к значению времени запаздывания.
На Фиг. 5.14 показана временная диаграмма выходного напряжения Vs плеча преобразователя, показанного на Фиг. 3А, на которой ясно видны семь уровней напряжения: 0V, 1000V, 2000V, 3000V, 4000V, 5000V, 6000В. Напряжение изменяется ступенчато, по 1000V в описанном примере.
Мы не будем описывать подробно плечо преобразователя, с Фиг. 3B. Она имеет ту же структуру, что и плечо на фиг 3А, за исключением того, что узел S, который соответствует выходу на Фиг. 3А, теперь называется узлом Е, поскольку теперь он соответствует входу. Он предназначен для подключения к источнику переменного тока (не показан). Аналогично входные выводы Е+, Е- на фиг 3А, на уровне которых источник VDC напряжения подключен, называются теперь S+ и S- на Фиг. 3B, они соответствуют выходу преобразователя и предназначены для питания источника постоянного напряжения (не показан). При функционировании в качестве выпрямителя, ток IE течет от узла Е к выходным выводам S+ и S-, тогда как при функционировании в качестве инвертора, токи IE+ и IE- текут от выводов E+,E- к узлу S. При работе в качестве выпрямителя, токи IS+ и IS- появляющиеся на выводах S+ и S- являются выходными токами, а при функционировании в качестве инвертора выходной ток называемый IS появляется в узле S.
Несколько типов управления может быть использовано для приведения элементарных прерывателей в замкнутое или разомкнутое состояние и тем самым обеспечить преобразование. Могут быть использовано традиционное управление, основанное на широтно-импульсной модуляции ШИМ (MLI). Конечно, соответствующие элементарные прерыватели двух структур CE21, CE22 коммутация с четырьмя уровнями напряжения второй ступени Et2, управляются одинаково.
На Фиг. 3А, 3В показан единственный источник VDC постоянного напряжения. Понятно, что этот источник VDC постоянного напряжения может быть образован из нескольких элементарных независимых источников постоянного напряжения, каждый из которых установлен на выводах, по меньшей мере, одного устройства хранения энергии C1-С6. Эти источники постоянного напряжения могут быть выпрямителями. Эта конфигурация интересна в системе необратимого преобразования с трансформатором с несколькими обмотками.
На Фиг. 6, показан вариатор скорости, который содержит в каскаде преобразователь 1, предмет изобретения, работающий в качестве выпрямителя AC/DC, и преобразователь 2 , предмет изобретения, работающий в качестве инвертора DC/AC, поместив между двумя, на постоянной стороне, источник 3 напряжения, такой как устройство хранения энергии. Выпрямитель 1, предназначен для подключения на входе к сети питания переменного тока Re приравненной к источнику тока. Инвертор 2 предназначен для соединения на выходе к пользовательскому устройству, сравнимому с источником тока, такому как двигатель переменного тока Mo. Фиг. 6, иллюстрирует пример, где два преобразователя 1 и 2 являются трехфазными. Каждый из них содержит три плеча, таких как показанные на Фиг. 3А, 3B.
Многоуровневый преобразователь в соответствии с изобретением, гораздо более компактный и легкий, чем преобразователи предыдущего уровня техники. Он гораздо проще в установке и транспортировке. Он может быть использован с или без изолирующего трансформатора.
Он позволяет минимизировать гармонические загрязнения электросети и корректировку коэффициента мощности при использовании регенеративного активного выпрямителя. Преобразователь, объект изобретения, совместим с переменной сетью до 13,8 кВ, учитывая устойчивость к напряжению существующих полупроводниковых компонентов, работает ли он как инвертор или выпрямитель. Таким образом, не обязательно использовать трансформатор адаптирующий уровень напряжения, обычно используемое решение.
Преобразователь DC/AC, предмет изобретения, может быть использован для питания парка асинхронных или синхронных электродвигателей, новых или существующих.
Преобразователь, предмет изобретения, имеет модульную структуру, за счет использования структур коммутации с четырьмя уровнями напряжения, как те, что на Фиг. 2. Из этого следует, что затраты на техническое обслуживание снижаются и что надежность хорошая.
Форма волны питания нагрузки хорошего качества и скачки со стороны источника тока ограничены и связаны только с соединительными кабелями.
Общая шина постоянного тока может быть использована для питания нескольких преобразователей, объектов изобретения.
Цитируемые документы
[1] “Новейшие гибридно-зафиксированные четырех уровневые преобразователи” Куи Вонг и соавт.(“A novel hybrid-clamped four-level converters” Kui Wang et al.) Выставка и конференция практической силовой электроники (Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC)), 2012 Двадцать седьмой ежегодный IEEE (2012 Twenty-Seventh Annual IEEE), 5-9 Февраля. 2012, с. 2442-2447.
[2] “Контроль баланса напряжения четырех-уровневого гибридно-зафиксированного инвертера, с использованием модифицированной смещенной по фазе ШИМ” Куи Вонг и соавт. (“Voltage balancing control of a four level hybrid-clamped inverter using modified phase-shifted PWM” Kui Wang et al.), Силовая электроника и Применения (Power Electronics and Applications (EPE)), 2013 15ая Европейская конференция по Силовой электронике и Применениях, 2-6 Сент. 2013, с. 1-10.
1. Многоуровневый преобразователь, содержащий по меньшей мере одно плечо (B), образованное несколькими ступенями номером от 1 до n (n является целым числом больше 1) (Et1, Et2, Etn), соединенными каскадом, ступень номер 1 (Et1) предназначена быть подключенной к источнику (I) тока, а ступень номер n (Etn) предназначена быть подключенной к источнику (VDC) напряжения, отличающийся тем, что ступень номер 1 (Et1) включает в себя единственную структуру (Се10) коммутации с четырьмя уровнями напряжения, а ступень номер i (i лежит между 2 и n) содержит i одинаковых структур (Cei1, Cei2, Ceii) коммутации с четырьмя уровнями напряжения, установленных последовательно, каждая из этих структур коммутации включает в себя звено (T1, T2, T1′, T2′, C12) типа с плавающим конденсатором с тремя уровнями напряжения, содержащее четверку последовательных элементарных прерывателей (T1, T2, T1′, T2'), имеющих срединный узел (S), два базовых звена (T3u, T3′ u; T3I, T3'I), каждое из которых образовано парой последовательных элементарных прерывателей (T3u, T3 u; T3I, T3'I), представляющих два крайних вывода (N6, N7; N8, N9) и срединную точку и емкостный мост-делитель (C9, C10, C11), имеющий два конца, образованный тройкой устройств (C9, C10, C11) хранения энергии, установленных последовательно, среди которых два устройства (C9, C11) хранения энергии в крайнем положении, каждое устройство (C9, C11) хранения энергии в крайнем положении соединено с крайними выводами (N6, N9) другого базового коммутационного звена, срединная точка каждого базового коммутационного звена подключена к другому концу четверки элементарных прерывателей (T1, T2, T1′, T2'), срединный узел каждого звена типа с плавающим конденсатором ступени номер i подключен к концу емкостного моста-делителя структуры коммутации с четырьмя уровнями напряжения ступени номер i-1.
2. Многоуровневый преобразователь по п. 1, в котором устройства хранения энергии (C9, C10, C11) одного и того же емкостного моста-делителя имеют одинаковую емкость хранения энергии и одну и ту же устойчивость к напряжению.
3. Многоуровневый преобразователь по п. 1, в котором срединный узел по меньшей мере одного звена типа с плавающим конденсатором ступени номер i связан с концом емкостного моста-делителя структуры коммутации ступени номер i-1 через катушку индуктивности (Laux21, Laux22).
4. Многоуровневый преобразователь по п. 3, в котором когда несколько катушек индуктивности связывают ступень номер i со ступенью номер i-1, эти катушки индуктивности имеют одинаковое значение.
5. Многоуровневый преобразователь по п. 1, в котором две пары элементарных прерывателей (T3u, T3′ u; T3I, T3'I) двух базовых коммутационных звеньев одной и той же ступени имеют одну и ту же функцию коммутации.
6. Многоуровневый преобразователь по п. 1, в котором при функционировании элементарные прерыватели одной и той же пары всегда находятся в состояниях, комплементарных к значению времени запаздывания.
7. Многоуровневый преобразователь по п. 1, в котором в четверке элементарных прерывателей (T1, T2, T1′, T2') звена типа с плавающим конденсатором два находятся в крайнем положении, а два находятся в среднем положении, два элементарных прерывателя (T2, T2') в крайнем положении всегда находятся в комплементарных состояниях, и два элементарных прерывателя (T1, T1') в среднем положении всегда находятся в комплементарных состояниях, один является замкнутым, а другой - разомкнутым.
8. Многоуровневый преобразователь по п. 1, в котором элементарные прерыватели (T1, T2, T1′, T2') содержат, каждый, управляемый электронный коммутатор мощности, связанный с диодом, включенным антипараллельно.
9. Многоуровневый преобразователь по п. 1, в котором устройства (C1-C12) хранения энергии выбраны среди конденсатора, батареи, топливного элемента.
10. Вариатор скорости включает в себя каскад с преобразователем (1) по одному из предыдущих пунктов, работающим в качестве выпрямителя AC/DC, и преобразователем (2) по одному из предыдущих пунктов, работающим в качестве инвертора DC/АС, соединенных друг с другом через их стороны с постоянным током с помощью источника напряжения (3).
