Многоуровневый преобразователь мощности

Авторы патента:

ЛЯВИВИЛЛЬ Жан-Поль (FR)

H02M7/483 - Преобразование энергии переменного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе; преобразование энергии постоянного тока на входе в энергию переменного тока на выходе

Владельцы патента RU 2613333:

ШНЕЙДЕР ТОСИБА ИНВЕРТЕР ЮРОП САС (FR)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в многоуровневых преобразователях. Техническим результатом является возможность работы при повышенных напряжениях без использования трансформаторов и при максимально ограниченном количестве пассивных компонентов. Многоуровневый преобразователь мощности содержит: n входных ступеней (E_{in_n}), где n больше или равно 1, и каждая входная ступень содержит n+1 одинаковых входных преобразователей (CONV_{x_En}), соединенных друг с другом, причем входные преобразователи имеют одинаковую топологию, выбранную из структур NPC (Neutral Point Clamped), ANPC (Active Neutral Point Clamped), NPP (Neutral Point Piloted) и SMC (Stacked Multicell Converter); выходную ступень (E_out), соединенную с входной ступенью ранга 1 и содержащую выходной преобразователь (CONV_S), питаемый дифференциальным напряжением V_float, образованным посредством первого электрического потенциала, приложенного к выходу первого входного преобразователя входной ступени ранга 1, и второго электрического потенциала, приложенного к выходу второго входного преобразователя входной ступени ранга 1, причем выходной преобразователь (CONV_S) имеет топологию, выбранную из структуры с плавающим конденсатором (FC), SMC (Stacked Multicell Converter), NPC (Neutral Point Clamped), NPP (Neutral Point Piloted) и ANPC (Active Neutral Point Clamped). 6 з.п. ф-лы, 18 ил., 2 табл.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к многоуровневому преобразователю мощности. Многоуровневый преобразователь согласно изобретению предназначен, в частности, для работы в диапазоне средних напряжений.

Уровень техники

Некоторые приложения требуют в настоящее время очень высоких напряжений. Хотя характеристики полупроводников, применяющихся в преобразователях мощности, непрерывно улучшаются, их электрическая прочность все еще недостаточна, чтобы можно было предложить компактные и надежные преобразователи мощности. Поэтому были разработаны различные решения, позволяющие повысить напряжение, оставаясь в пределах электрической прочности компонентов.

Первое решение состоит просто в последовательном соединении коммутационных ключей. Однако сложно равномерно распределить ограничения по напряжению на каждом из ключей, как в статическом, так и в динамическом режиме. Например, при включении ключ на наиболее медленную коммутацию рискует оказаться под чрезмерным переходным напряжением, тогда как при запирании имеется риск повреждения наиболее быстрого ключа. Чтобы преодолеть эти трудности, предлагались другие решения, основанные на чередовании управления ключами. Эти решения позволяют предложить несколько уровней напряжений для воспроизведения формы волны.

Вторым предложенным решением является так называемая топология NPC (от "Neutral Point Clamped" – фиксированная нулевая точка). Эта топология вносит значительные улучшения в решение проблемы балансировки напряжений, которым подвергаются ключи, и позволяет генерировать волны удовлетворительной формы. Однако эта топология имеет ограниченное применение и имеет недостатки, связанные, в частности, с балансировкой напряжения на конденсаторах шины. Поэтому топология типа NPC была усовершенствована путем замены диодов на управляемые ключи. Эта усовершенствованная топология называется ANPC (от "Active Neutral Point Clamped" – активная фиксированная нулевая точка), она уже применялась в некоторых продуктах (ACS 2000 от фирмы ABB). Альтернатива топологии NPC, обозначенная NPP (от "Neutral Point Piloted" – управляемая нейтральная точка), была описана, например, в патенте US 6930899.

Было предложено третье решение, использующее сопряженные ячейки. Преобразователь на сопряженных ячейках позволяет соединить источник напряжения с источником тока, соединяя последовательно произвольное число ключей, независимо от типа желаемого преобразования. Каждая элементарная ячейка содержит два коммутационных ключа и один конденсатор. Однако это решение также имеет недостатки, связанные с наличием плавающих конденсаторов в каждой ячейке, причем их число влечет дополнительные расходы и значительное количество запасенной энергии.

Чтобы уменьшить размер конденсаторов и снизить энергию, запасенную в преобразователе, было предложено четвертое решение. Это решение было названо многоуровневым многоячейковым преобразователем (SMC, от "Stacked Multicell Converter"). Это решение, описанное в патенте EP 1287609, состоит в соединении нескольких преобразователей с сопряженными ячейками.

Наконец, последнее решение было описано в патенте US 5625545. Это решение состоит в последовательном соединении выхода ячеек и питании каждой ячейки от независимого источника. Каждая ячейка содержит выпрямитель и инвертор. Выходы ячеек соединены последовательно, чтобы создать желаемый уровень напряжения на зарядке. Используется временной сдвиг команд инверторов, чтобы получить многоуровневое напряжение.

Кроме того, решения были описаны в следующих документах:

- FANG ZHENG: "A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing" - 01/03/2001, XP01 1022945

- ZHIGUO PAN ET AL: "A diode-clamped multilevel converter with reduced number of clamping diodes" - 22/02/2004, XP010703326

- ALIAN CHEN ET AL: "A novel type of combined multilevel converter topologies" - 02/1 1/2004, XP010799316

- ALIAN CHEN ET AL: "A multilevel converter topology with fault tolerant ability" - 22/02/2004, XP010703838

- BARBOSA P ET AL: "Active-Neutral-point-Clamped (ANPC) Multilevel Converter Technology", XP010933291

- US 2007/025126 A1

Решения, описанные в этих документах, предлагают использовать каскад преобразователей идентичной топологии.

Целью изобретения является предложить решение, альтернативное всем решениям уровня техники, позволяющее комбинировать большое число компонентов, чтобы можно было работать при повышенных уровнях напряжения без использования трансформатора и при максимально ограниченном числе пассивных компонентов.

Сущность изобретения

Указанная цель достигается многоуровневым преобразователем мощности, содержащим:

- n входных ступеней, причем n по меньшей мере равно 1, и каждая входная ступень содержит n+1 одинаковых входных преобразователей, соединенных друг с другом, причем каждый преобразователь питается входным напряжением и регулируется так, чтобы подать электрический потенциала на выход, исходя из указанного входного напряжения,

- если n больше или равно 2, каждый входной преобразователь входной ступени ранга n-1 питается напряжением, образованным посредством электрических потенциалов, приложенных к двум выходам двумя преобразователями ранга n,

- выходную ступень, соединенную с входной ступенью ранга 1 и содержащую выходной преобразователь, питаемый дифференциальным напряжением, образованным посредством первого электрического потенциала, приложенного к выходу первого входного преобразователя входной ступени ранга 1, и второго электрического потенциала, приложенного к выходу второго входного преобразователя входной ступени ранга 1, причем указанный выходной преобразователь управляется так, чтобы прикладывать электрический потенциал на выход,

- причем входные преобразователи имеют одинаковую топологию, выбранную из структур типа NPC, ANPC, NPP и SMC,

- выходной преобразователь имеет топологию, отличную от топологии, выбранной для входных преобразователей, причем указанная топология выходного преобразователя выбрана из: структуры с плавающим конденсатором, SMC, NPC, NPP и ANPC.

Согласно одному варианту осуществления входные преобразователи имеют топологию типа NPP, а выходной преобразователь имеет топологию с плавающим конденсатором.

Согласно другому варианту осуществления входные преобразователи имеют топологию типа NPC, а выходной преобразователь имеет топологию с плавающим конденсатором.

Согласно другому варианту осуществления входные преобразователи имеют топологию типа ANPC, а выходной преобразователь имеет топологию с плавающим конденсатором.

Согласно другому варианту осуществления входные преобразователи имеют топологию типа NPP, а выходной преобразователь имеет топологию типа SMC.

Согласно другому варианту осуществления входные преобразователи имеют топологию типа NPC, а выходной преобразователь имеет топологию типа SMC.

Согласно другому варианту осуществления входные преобразователи имеют топологию типа ANPC, а выходной преобразователь имеет топологию типа SMC.

Краткое описание фигур

Другие характеристики и преимущества выявятся из следующего подробного описания, проводимого с обращением к приложенным чертежам, перечисленным ниже:

- фигура 1 схематически показывает многоуровневый преобразователь мощности согласно изобретению,

- фигура 2 показывает многоуровневый преобразователь по изобретению, содержащий всего одну входную ступень и одну выходную ступень,

- фигура 3 показывает многоуровневый преобразователь по изобретению, имеющий входную ступень с топологией NPP и выходную ступень с топологией с плавающим конденсатором,

- фигура 4 показывает многоуровневый преобразователь по изобретению, имеющий входную ступень с топологией NPC и выходную ступень с топологией с плавающим конденсатором,

- фигура 5 показывает многоуровневый преобразователь по изобретению, имеющий входную ступень с топологией ANPC и выходную ступень с топологией с плавающим конденсатором на выходе,

- фигуры 6A-6L иллюстрируют разные последовательности протекания тока в многоуровневом преобразователе согласно изобретению, имеющем входную ступень с топологией NPP и выходную ступень с топологией с плавающим конденсатором,

- фигура 7 показывает многоуровневый преобразователь по изобретению, имеющий входную ступень с топологией NPP и выходную ступень с топологией SMC.

Подробное описание по меньшей мере одного варианта осуществления

Изобретение относится к многоуровневому преобразователю мощности, позволяющему работать при высоких напряжениях, более точно в диапазоне средних напряжений от 2,3 кВ до 13,8 кВ. Оно основано на объединении элементарных структур в каскад, причем каждая элементарная структура основана на последовательном соединении ограниченного числа компонентов.

Так, согласно фигуре 1, многоуровневый преобразователь по изобретению содержит:

- n входных ступеней E_{in_n}, где n по меньшей мере равно 1, и каждая входная ступень E_{in_n} содержит n+1 одинаковых входных преобразователей CONV_{x_En} (x может меняться от 1 до n+1), соединенных друг с другом, причем каждый преобразователь CONV_{x_En} питается входным напряжением V_{x_En} и управляется так, чтобы выдавать электрический потенциал на выходе S_{y_En} (y может меняться от 1 до n), исходя из указанного входного напряжения,

- выходную ступень E_out, соединенную с входной ступенью ранга 1 и содержащую выходной преобразователь CONV_S, питаемый дифференциальным напряжением V_float, образованным посредством первого электрического потенциала, приложенного к выходу первого входного преобразователя входной ступени ранга 1, и второго электрического потенциала, приложенного к выходу второго входного преобразователя входной ступени ранга 1. Выходной преобразователь управляется так, чтобы прикладывать электрический потенциал на его выходе S_{1_S}.

Согласно изобретению входные преобразователи имеют одинаковую топологию. Эта топология выбрана из структур типа NPC ("Neutral Point Clamped"), ANPC ("Active Neutral Point Clamped"), NPP ("Neutral Point Piloted") и SMC ("Stacked Multicell Converter").

Согласно изобретению топология выходного преобразователя отличается от топологии, выбранной для входных преобразователей, она выбирается из структуры с плавающим конденсатором (FC от "Flying Capacitor"), структур SMC, NPC, NPP и ANPC.

Далее в описании для упрощения будет рассматриваться базовая структура, отвечающая определенным выше критериям и содержащая всего одну входную ступень E_{in_1} и одну выходную ступень E_out. Таким образом, эта базовая структура содержит:

- первый входной преобразователь CONV_1-E1, питаемый на входе первым напряжением V_1-E1 и управляемый так, чтобы прикладывать первый электрический потенциал на первом выходе S_1-E1,

- второй входной преобразователь CONV_{2_E1}, питаемый на входе вторым напряжением V_{2_E1} и управляемый так, чтобы прикладывать второй электрический потенциал на втором выходе S_{2_E1},

- выходной преобразователь CONV_S, соединенный с первым выходом S_{1_E1} и вторым выходом S_{2_E1}, чтобы быть запитанным дифференциальным напряжением V_float, образованным посредством первого электрического потенциала и второго электрического потенциала, и управляемый так, чтобы прикладывать электрический потенциал на выходе S_{1_S}.

Ниже на фигурах 3-5 описывается первый предложенный вариант.

Во входной ступени E_{in_1} входные преобразователи CONV_{1_E1}, CONV_{2_E1} реализованы, например, с простыми топологиями, соединяющими последовательно два ключа. В этих решениях дифференциальное напряжение V_float равно напряжению V (=V_{1_E1} =V_{2_E1}), то есть половине полного входного напряжения (V_{1_E1} + V_{2_E1}). Таким образом, каждый из входных ключей несет половину входного напряжения.

Преобразователь для выходной ступени выбирают так, чтобы можно было использовать те же ключи, что и на входной ступени, и чтобы ограничить число ключей на этой ступени.

Различные структуры, отвечающие этим критериям, представлены на фигурах 3-7.

Так, фигура 3 показывает многоуровневый преобразователь согласно изобретению, содержащий входные преобразователи CONV_{1_E1}, CONV_{2_E1}, имеющие топологию NPP, и выходной преобразователь CONV_S, имеющий топологию с плавающим конденсатором.

Фигура 4 показывает многоуровневый преобразователь согласно изобретению, содержащий входные преобразователи CONV_{1_E1}, CONV_{2_E1}, имеющие топологию NPC, и выходной преобразователь CONV_S, имеющий топологию с плавающим конденсатором.

Фигура 5 показывает многоуровневый преобразователь согласно изобретению, содержащий входные преобразователи CONV_{1_E1}, CONV_{2_E1}, имеющие топологию ANPC, и выходной преобразователь CONV_S, имеющий топологию с плавающим конденсатором.

Фигуры 6A-6L более конкретно иллюстрируют последовательности работы структуры с топологией NPP для входных преобразователей и топологией с плавающим конденсатором для выходного преобразователя.

Для выходной ступени должны соблюдаться определенные правила:

- транзисторы T1 и T2 имеют дополняющее функционирование в пределах времени задержки,

- транзисторы T3 и T4 имеют дополняющее функционирование в пределах времени задержки.

Чтобы поддерживать постоянным среднее напряжение на зажимах плавающего конденсатора C_float, команды транзисторов T1 и T3, соответственно T2 и T4 являются почти одинаковыми в пределах фазового смещения, что позволит зарядному току временно проходить через указанный конденсатор.

Управление ключами выходной ступени основано, например, на перекрестной модуляции с N треугольными несущими, сдвинутыми по времени (в идеале на 2π/n), на частоте коммутации, соответствующей n ячейкам (здесь N равно 2) этой ступени, и синусоидальной несущей с частотой выходного сигнала, чтобы определить моменты коммутации ключей.

Для входной ступени должны соблюдаться определенные правила:

- транзисторы (T5a, T5b), (T7a, T7b), (T9a, T9b), (T11a, T11b) соединены попарно таким образом, чтобы их коммутации были одновременными.

- Одновременное управление T5 и T6 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.

- Одновременное управление T5 и T7 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.

- Одновременное управление T7 и T11 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.

- Одновременное управление T7 и T8 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.

- Одновременное управление T9 и T10 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.

- Одновременное управление T11 и T12 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.

- Одновременное управление T9 и T11 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.

Для управления ключами T7 и T9 используются дополняющие друг друга сигналы, причем сами эти сигналы являются дополняющими сигналов управления ключей T8 и T10. Эти сигналы зависят от знака заданного напряжения.

Управление ключами T5, T6, T11 и T12 применяет, например, две треугольные несущие, смещенные по амплитуде и фазе относительно несущих, использующихся для управления ключами выходной ступени, чтобы ограничить гармонический спектр выходного напряжения.

На фигурах 6A-6L показаны разные последовательности функционирования, соблюдая определенные выше правила. Каждая фигура показывает разный маршрут протекания тока через входную ступень и выходную ступень.

Эти правила функционирования идеально адаптированы, когда напряжения на зажимах конденсаторов сбалансированы. Однако если необходимо сбалансировать эти напряжения, это должно быть сделано. Один контрольный пример описывается ниже.

Принцип балансировки напряжений на зажимах конденсаторов многоуровневого преобразователя согласно изобретению будет описан ниже для топологии, показанной на фигуре 4.

На фигуре 4 многоуровневый преобразователь согласно изобретению содержит несколько ячеек коммутации. Каждая ячейка коммутации образована из двух ключей (T1, T1'-T2, T2'-T3U, T3'U-T3L, T3'L-T4U, T4'U-T4L, T4'L), действие которых является дополняющим, то есть когда один является проводником, другой блокирован.

Для описания функционирования каждого элемента используется функция коммутации f_k.

Если f_k=1, это означает, что ключ Tk закрыт, а ключ T'k открыт.

Если f_k=0, это означает, что ключ Tk элемента открыт, а ключ T'k закрыт.

В топологии многоуровневого преобразователя, показанной на фигуре 4, входное напряжение должно быть равномерно распределено между входными конденсаторами C1, C2, C3, C4, и, чтобы обеспечить хорошее распределение напряжений между ключами, напряжение конденсатора Cf должно быть равно четверти входного напряжения.

Контроль элементов коммутации осуществляется так, чтобы достигались три следующие цели:

- получение желаемого выходного напряжения,

- балансировка напряжения V_Cf на зажимах плавающего конденсатора Cf,

- балансировка напряжения V_dC шины постоянного тока, образованной конденсаторами C1, C2, C3 и C4.

Балансировка напряжения V_Cf

Напряжение Vcf на зажимах плавающего конденсатора Cf изменяют путем пропускания через него тока. Таблица ниже показывает величину выходного тока, протекающего через плавающий конденсатор, в зависимости от состояний ключей.

Состояние	f4U f _4L	f3U f3L	f ₂	f1	Фазовое напряжение	Cf
V1	0	0	0	1	-Vdc/4	-I_S
V2	0	0	1	0	-Vdc/4	I_S

V5	0	1	0	1	0	-I_S
V6	0	1	1	0	0	I_S

V9	1	1	0	1	Vdc/4	-I_S
V10	1	1	1	0	Vdc/4	I_S

В других состояниях, принимаемых ключами, через плавающий конденсатор Cf не протекает никакой ток, таким образом, его напряжение не может изменяться, и в таком случае балансировка не требуется и невозможна.

В общем, если на выходе требуется напряжение величиной -Vdc/4, блок управления ключей выбирает между состояниями V1 или V2, учитывая изменение напряжения Vcf на зажимах плавающего конденсатора.

Чтобы получить нулевое выходное напряжение, блок управления должен выбрать между состояниями V5 и V6 из таблицы выше, в зависимости от состояния напряжения Vcf на зажимах плавающего конденсатора.

Чтобы получить выходное напряжение Vdc/4, блок управления должен выбрать между состояниями V9 и V10 из таблицы выше, в зависимости от состояния напряжения Vcf на зажимах плавающего конденсатора.

Балансировка напряжения Vdc шины постоянного тока

Что касается уравнивания напряжения Vdc шины постоянного тока, известно, что средняя точка O имеет плавающий потенциал с фиксированным средним значением, но что этот потенциал флуктуирует вблизи этого среднего значения в соответствии с эволюцией условий зарядки или управления ключами. Эта флуктуация должна быть управляемой, чтобы оставаться в допустимом рабочем диапазоне.

Топология на фигуре 4 содержит три промежуточные точки O+, O, O- на входных преобразователях. На уровне этих трех точек могут циркулировать три тока I_O+, I_O и I_O-.

Учитывая воздействие каждого из этих трех токов, получают следующие результаты:

- При ненулевом токе I_O+ и при токах I_O и I_O-,предполагаемыхнулевыми:

где:

T_S означает период между коммутациями,

C означает емкость конденсаторов C1, C2, C3 и C4,

ΔV_Ci означает изменение напряжения на зажимах конденсатора Ci (i =1, 2, 3 или 4) в период между коммутациями.

- При ненулевом токе I_O и при токах I_O+ и I_O-,предполагаемыхнулевыми:

При ненулевом токе I_O- и при токах I_O+ и I_O,предполагаемыхнулевыми:

Используя принцип наложения, получают полное изменение напряжений на зажимах конденсаторов, суммируя изменения, полученные для каждой возможной конфигурации:

Чтобы расцепить эти величины, можно отметить, что

- баланс в точке O+ связан с соотношением:

- баланс в точке O- связан с соотношением:

- баланс в точке O связан с соотношением:

То есть:

Следующая таблица показывает состояния ключей, которые приводят к наличию токов I_O+, I_O, I_O- и которые порождают изменение напряжений V_C1, V_C2, V_C3, V_C4 на зажимах конденсаторов.

Состояние	f4U f _4L	f3U f _3L	f ₂	f1	Фазовое напряжение	I_O+	I_O	I_O-
V1	0	0	0	1	-Vdc/4
V2	0	0	1	0	-Vdc/4		I_S
V4	0	1	0	0	-Vdc/4			I_S

V3	0	0	1	1	0		I_S
V5	0	1	0	1	0			I_S
V6	0	1	1	0	0	I_S
V8	1	1	0	0	0		I_S

V7	0	1	1	1	Vdc/4	I_S
V9	1	1	0	1	Vdc/4		I_S
10	1	1	1	0	Vdc/4

Чтобы обеспечить выходное напряжение величиной -Vdc/4, блок управления выбирает, в зависимости от состояния зарядки конденсаторов шины, одно из состояний V1, V2 или V4, определенных в таблице выше, таким образом, чтобы получить ток I_O или I_O-.

Чтобы обеспечить нулевое выходное напряжение, блок управления выбирает, в зависимости от состояния зарядки конденсаторов шины, одно из состояний V3, V5, V6 или V7, определенных в таблице выше, таким образом, чтобы получить ток I_O, или I_O-, или I_O+.

Чтобы обеспечить выходное напряжение величиной Vdc/4, блок управления выбирает, в зависимости от состояния зарядки конденсаторов шины, одно из состояний V7, V9 или V10, определенных в таблице выше, таким образом, чтобы получить ток I_O или I_O+.

На рисунках показаны не все конфигурации, возможные для этого первого предложения. Исходя из фигур 3-5, можно предложить другие конфигурации, состоящие в замене выходного преобразователя CONV_S с плавающим конденсатором выходным преобразователем, имеющим топологию NPC, NPP или ANPC.

Ниже с обращением к фигуре 7 описывается второй предложенный вариант.

Этот второй вариант состоит в сочетании входной ступени E_{in_1}, входные преобразователи которой CONV_{1_E1}, CONV_{2_E1} имеют простую топологию, и выходной ступени E_out, выходной преобразователь CONV_S которой имеет более сложную топологию, содержащую увеличенное число соединенных последовательно ключей.

На входе, как и в первом предложенном варианте, преобразователи CONV_{1_E1}, CONV_{2_E1} реализованы в топологии типа NPC, NPP или ANPC.

На выходе преобразователь CONV_S выполнен в топологии типа SMC, что позволяет соединять последовательно любое число ключей, ограничивая размер применяемых плавающих конденсаторов.

Так, фигура 7 показывает многоуровневый преобразователь, имеющий входную ступень E_{in_1}, входные преобразователи CONV_{1_E1}, CONV_{2_E1}, которые имеют топологию NPP, и выходную ступень E_out, выходной преобразователь которой CONV_S имеет топологию SMC.

Другие возможные конфигурации для этого второго предложенного варианта, то есть NPC+SMC и ANPC+SMC, не показаны, но следует понимать, что они являются составной частью изобретения.

Таким образом, изобретение направлено на каскадное соединение известных базовых модулей, чтобы можно было последовательно включать подходящее число ключей. Различные возможные предложенные структуры позволяют адаптироваться к разным рабочим напряжениям в диапазоне от 2,3 кВ до 13,8 кВ.

Преимуществом описанного выше первого предложенного варианта является то, что он требует лишь небольшое количество ключей.

Со своей стороны, второй предложенный вариант позволяет увеличить число последовательных ключей, но также позволяет смешивать типы ключей. Ключи, использующиеся для входных ступеней, предпочтительно будут отличаться по типу от ключей, использующихся для выходной ступени. Чтобы соблюдать уровень напряжения, необходимый для каждого компонента, разность потенциалов, прикладываемая на вход выходного преобразователя, равна E/2. Для входной ступени два ключа должны быть в состоянии нести E/2, тогда как шесть ключей выходного преобразователя должны нести E/2.

В обоих предложенных выше вариантах вышеописанный контроль может потребоваться, чтобы обеспечить сбалансированность напряжений на зажимах конденсаторов. Принципы балансирования применяются идентичным образом ко всем топологиям, описанным в настоящей заявке.

1. Многоуровневый преобразователь мощности, содержащий:

- n входных ступеней (E_{in_n}), где n по меньшей мере равно 1, и каждая входная ступень содержит n+1 одинаковых входных преобразователей (CONV_{x_En}), соединенных друг с другом, причем каждый преобразователь питается входным напряжением (V_{x_En}) и управляется так, чтобы выдавать электрический потенциал на выходе (S_{y_En}), исходя из указанного входного напряжения,

- выходную ступень (E_out), соединенную с входной ступенью ранга 1 и содержащую выходной преобразователь (CONV_s), питаемый дифференциальным напряжением (V_float), образованным посредством первого электрического потенциала, приложенного к выходу первого входного преобразователя входной ступени ранга 1, и второго электрического потенциала, приложенного к выходу второго входного преобразователя входной ступени ранга 1, причем указанный выходной преобразователь управляется так, чтобы прикладывать электрический потенциал на выход (S_{1_s}),

отличающийся тем, что:

- входные преобразователи (CONV_{x_En}) имеют одинаковую топологию, выбранную из структур типа NPC, ANPC, NPP и SMC,

- выходной преобразователь (CONV_S) имеет топологию, отличную от топологии, выбранной для входных преобразователей, причем указанная топология выходного преобразователя выбрана из структуры с плавающим конденсатором (FC), SMC, NPC, NPP и ANPC.

2. Преобразователь мощности по п. 1, отличающийся тем, что входные преобразователи (CONV_{x_En}) имеют топологию типа NPP, и тем, что выходной преобразователь (CONV_S) имеет топологию с плавающим конденсатором.

3. Преобразователь мощности по п. 1, отличающийся тем, что входные преобразователи (CONV_{x_En}) имеют топологию типа NPC, и тем, что выходной преобразователь (CONV_S) имеет топологию с плавающим конденсатором.

4. Преобразователь мощности по п. 1, отличающийся тем, что входные преобразователи (CONV_{x_En}) имеют топологию типа ANPC, и тем, что выходной преобразователь (CONV_S) имеет топологию с плавающим конденсатором.

5. Преобразователь мощности по п. 1, отличающийся тем, что входные преобразователи (CONV_{x_En}) имеют топологию типа NPP, и тем, что выходной преобразователь (CONV_S) имеет топологию типа SMC.

6. Преобразователь мощности по п. 1, отличающийся тем, что входные преобразователи (CONV_{x_En}) имеют топологию типа NPC, и тем, что выходной преобразователь (CONV_S) имеет топологию типа SMC.

7. Преобразователь мощности по п. 1, отличающийся тем, что входные преобразователи (CONV_{x_En}) имеют топологию типа ANPC, и тем, что выходной преобразователь (CONV_S) имеет топологию типа SMC.

Изобретение относится к области преобразовательной электронной техники и может быть использовано при создании автономных солнечных источников электроэнергии. Инвертор для солнечных электростанций содержит блок солнечных батарей, подключенный к преобразователю энергии.

Преобразователь, переключающая ячейка и способ управления преобразователем // 2600328

Настоящее изобретение относится к способу управления преобразователем (1), содержащим множество мостовых плеч (2), содержащих одну или более переключающих ячеек (3), соединенных последовательно, при этом каждое плечо (2) моста соединяет один из множества входов с одним из множества выходов преобразователя (1).

Многоуровневый преобразователь и способ управления работой многоуровневого преобразователя // 2600316

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в модульном многоуровневом преобразователе, например, для транспортных средств. Многоуровневый преобразователь (1) содержит: активный каскад (2) для преобразования переменного входного напряжения (uin) на входе переменного тока в промежуточное постоянное напряжение (Uz); DC/DC преобразователь (3) для преобразования промежуточного постоянного напряжения (Uz) в выходное постоянное напряжение (Uout) на выходе постоянного тока.

Многозонный преобразователь постоянного тока в переменный // 2599624

Многозонный преобразователь постоянного тока в переменный, то есть инвертор тока, относится к электротехнике и необходим для питания регулируемых электродвигателей переменного тока.

Многоуровневый силовой преобразователь // 2593393

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).

Способ работы трехфазного инвертора питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника // 2588340

Изобретение относится к способу работы трехфазного инвертора (6) питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника (2), в котором находящаяся на верхнем магнитном якоре (8) катушка (12) соединена с помощью первого контактного вывода (20) с первым выходом (W) трехфазного инвертора (6), а находящаяся на нижнем магнитном якоре (10) катушка (14) соединена с помощью своего первого контактного вывода (22) со вторым выходом (V) инвертора (6), и обе катушки (12, 14) с помощью их соответствующего второго контактного вывода (24, 26) соединены с третьим выходом (U) инвертора.

Способ баланса напряжений на конденсаторах однофазного трехуровневого преобразователя с фиксирующими диодами // 2588257

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании электромеханических систем, например при создании систем генерирования переменного тока.

Модульный многократный преобразователь, снабженный проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле // 2587683

Изобретение относится к области электротехники. Чтобы создать субмодуль (13) для модульного многоступенчатого преобразователя (1), включающий в себя по меньшей мере один униполярный накопитель (14) энергии, первую и вторую соединительные клеммы (16, 17) и схему силовых полупроводников, которая имеет включаемые и отключаемые посредством сигнала управления силовые полупроводниковые реле (T1, T4, 19) и безынерционные диоды (D1, D2), включенные встречно параллельно предусмотренному силовому полупроводниковому реле (T1, T4), при этом в зависимости от настройки силовых полупроводниковых реле (T1, T4, 19) может создаваться напряжение, падающее на одном или всех накопителях энергии (14), или же нулевое напряжение между первой и второй соединительной клеммой (16, 17), и при этом схема силовых полупроводниковых реле образует шунтирующую ветвь (18), которая находится между точками потенциала первой и второй соединительных клемм (16, 17), который при нормальной эксплуатации обеспечивает технический результат - имеет низкие потери пропускания и, кроме того, оптимален по стоимости, предлагается, чтобы только расположенные в шунтирующей ветви (18) силовые полупроводниковые реле являлись силовыми полупроводниковыми реле (19), проводящими в обратном направлении.

Многоступенчатый преобразователь напряжения (варианты) // 2584876

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в приводах с регулируемой скоростью, ветровых турбогенераторах и в системах распределения электрической энергии.

Избирательное управление двигателем переменного тока или двигателем постоянного тока // 2579439

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления приводами, используемыми на подводных лодках. Техническим результатом является обеспечение возможности избирательного управления двигателями переменного или постоянного тока.

Полупроводниковое устройство преобразования энергии // 2614025

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в полупроводниковых преобразователях энергии. Техническим результатом является повышение надежности функционирования за счет обеспечения требуемого значения тока. Полупроводниковое устройство преобразования энергии включает в себя: полупроводниковый преобразователь (4) энергии, который выполняет преобразование энергии с использованием коммутирующих элементов (42-1 - 42-6) и подает питание на нагрузку (5); блок (1) вычисления команд управления напряжением преобразователя, которое выдает величину Vref команды управления напряжением, которая управляет полупроводниковым преобразователем (4) энергии; блок (2) управления напряжением, который накладывает второе значение команды управления напряжением на значение Vref команды управления напряжением для генерации значения Vref2 команды управления напряжением; блок (3) генерации ШИМ-сигнала, который генерирует стробирующий сигнал для управления приведением в действие коммутирующих элементов (42-1 - 42-6) на основании значения Vref2 команды управления напряжением и выдает стробирующий сигнал на полупроводниковый преобразователь (4) энергии; и шунтирующий блок (6), который подключается к полупроводниковому преобразователю (4) параллельно с нагрузкой (5) и ответвляет ток с частотой второго значения команды управления напряжением от выходного тока Iout, который выдается из полупроводникового преобразователя (4) на нагрузку (5). 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

Многоуровневый силовой преобразователь // 2614051

Изобретение относится к области преобразовательной техники. Базовая схема фазы U содержит полупроводниковые элементы (SU1.1-SU1.4) с первого по четвертый, включенные между выводом положительного электрода и выводом отрицательного электрода источника (DCC1) напряжения постоянного тока, пятый полупроводниковый элемент (SU1.5), имеющий соединение с общей точкой соединения первого и второго полупроводниковых элементов (SU1.1, SU1.2), и шестой полупроводниковый элемент (SU1.6), имеющий соединение с общей точкой соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов (SU1.3, SU1.4). Плавающий конденсатор (FC1) включен между пятым полупроводниковым элементом (SU1.5) и шестым полупроводниковым элементом (SU1.6). Схемы выбора напряжения в качестве входных клемм имеют общие точки соединения второго и третьего полупроводниковых элементов (SU1.2, SU1.3) соответствующих базовых схем и содержат, между входными клеммами и выходной клеммой (U, V, W), полупроводниковые элементы (SU1-SU4). В многоуровневом силовом преобразователе на выход могут быть поданы произвольные напряжения всех фаз, при этом управление, необходимое для подачи произвольных уровней напряжения всех фаз, является более простым. 6 н. и 12 з.п. ф-лы, 30 ил., 2 табл.

Преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное (варианты) // 2614981

Использование: в области электротехники. Технический результат - уменьшение расчетной мощности трансформатора без увеличения количества вентилей. Преобразователь по первому варианту содержит трехфазный трансформатор с шестью группами вторичных фазных обмоток и вентили, первая группа образует звезду, концы которой соединены с концами второй группы в левый зигзаг, а с концами третьей - в правый, пятая группа соединена началами с началами четвертой группы в правый зигзаг, а концами - с началами одноименных фаз второй группы, шестая группа соединена в звезду, концы которой подключены к одному выводу нагрузки, другой вывод которой подключен к катодам первой группы вентилей, к анодам которых подключены начала второй группы обмоток, начала третьей и шестой групп соединены через вентили второй группы на левый зигзаг, начала шестой группы подключены к анодам вентилей третьей группы, катоды которых подключены к концам одноименных фаз четвертой группы, причем приведенные числа витков групп обмоток в порядке возрастания их нумерации равны: 0,6527; 0,6527; 1; 0,2267; 0,574; 0,3473. Преобразователь по второму варианту содержит трехфазный трансформатор с шестью группами вторичных фазных обмоток и вентили, первая группа образует звезду, концы которой соединены с концами второй в левый зигзаг, а с концами третьей - в правый, четвертая группа соединена в звезду, подключенную началами к одному выводу нагрузки, другой вывод которой подключен к катодам первой группы вентилей, к анодам которых подключены начала второй группы обмоток, начала пятой группы соединены с началами второй группы в правый зигзаг, а концы подключены к катодам вентилей третьей группы, аноды которых соединены с концами четвертой группы, образующей с пятой группой соединение через вентили на правый зигзаг, концы четвертой группы подключены к анодам вентилей третьей группы, катоды которых подключены к концам шестой группы, образующей с четвертой группой соединение через вентили в левый зигзаг, начала третьей группы соединены с началами шестой группы в левый зигзаг, причем приведенные числа витков групп обмоток в порядке возрастания их нумерации равны: 0,6527; 0,6527; 0,426; 0,574; 0,574; 0,3473. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Источник синусоидального напряжения // 2616189

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника синусоидального напряжения в системах электроснабжения автономных объектов. Источник содержит функционально включенные аккумуляторную батарею, шины постоянного тока, инвертор, трехфазный фильтр, содержащий LC-контуры и клеммы для подключения нагрузки. Трехфазный фильтр содержит три фильтра фаз, выполненных по идентичным схемам. Каждый фильтр фазы содержит согласующий трансформатор, первичная обмотка которого включена между соответствующими выходами инвертора и клеммой для подключения нагрузки, а вторичная обмотка подключена к LC-контурам, рассчитанным на частоты 250 Гц, 350 Гц, 550 Гц, 650 Гц, 850 Гц, 950 Гц, 1150 Гц, 1250 Гц, 1450 Гц, 1550 Гц, 1750 Гц, 1850 Гц, причем один вывод указанной обмотки подключен к точке соединения конденсатора и катушки индуктивности первого LC-контура, а второй вывод - к точке соединения конденсатора и катушки индуктивности двенадцатого LC-контура, причем каждый LC-контур содержит дроссель, выполненный по трансформаторной схеме, при этом вторичные обмотки каждого из дросселей каждого из фильтров фаз соединены последовательно между собой, образуя последовательную цепь фазы, подключенную к входу выпрямителя фазы, выход которого подключен к шинам постоянного тока, при этом указанные цепи фаз включены параллельно. Требуемый технический результат достигается применением числа LC-контуров, соответствующего числу высших гармоник, при меньшем числе выпрямителей в каждой фазе. Энергия высших гармоник возвращается в виде выпрямленного напряжения для подзаряда аккумуляторной батареи. 2 ил., 2 табл.

Усовершенствованная система жесткой предварительной зарядки для параллельных инверторов // 2620128

Изобретение относится к области электротехники. Усовершенствованная система жесткой предварительной зарядки в тяговой системе для железной дороги содержит по меньшей мере два различных двигателя, каждый двигатель управляется с помощью по меньшей мере одного из двух инверторов, которые параллельно подключены к общей линии питания, которая подает сигнал питания постоянного тока с помощью соответствующего звена постоянного тока, при этом для каждого из упомянутых двух инверторов предусмотрен разъединитель, который отсоединяет соответствующий инвертор от упомянутой линии питания, каждый инвертор, кроме того, подключен к общей линии питания с помощью батареи конденсаторов фильтра и средства для предварительной зарядки указанных батарей конденсаторов, при этом средство предварительной зарядки содержит шунтирующий резистор и автоматический переключатель питания, который переключает сигнал питания постоянного тока на упомянутый шунтирующий резистор как только напряжение превысит заранее заданный порог. Для использования энергии, рассеиваемой резистором защиты, это изобретение предоставляет средство для поочередного замыкания разъединителей одного из двух инверторов и связь, которая перенаправляет сигнал питания от шунтирующего резистора инвертора, подключенного к линии питания упомянутым автоматическим переключателем питания, к батарее конденсаторов фильтра другого инвертора, который отсоединен от этой линии питания. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Цепь развязки звена постоянного тока для параллельных инверторов // 2620580

Изобретение относится к области электротехники. Цепь развязки звена постоянного тока выполняется в комбинации с двумя инверторами, которые подключены параллельно к общей линии электропитания постоянного тока, и каждый инвертор приводит в действие один из различных тяговых двигателей, для каждого из упомянутых двух инверторов предусмотрено средство выключения для отсоединения соответствующего инвертора от упомянутой линии электропитания в случае отказа. Упомянутая цепь звена постоянного тока снабжена средством ослабления/гашения резонансных колебаний, выполненным в виде RL-фильтра (резистивно-индуктивного фильтра). Это изобретение также относится к электровозу, содержащему по меньшей мере два электродвигателя, при этом каждый двигатель управляется по меньшей мере одним из двух инверторов, каждый из этих инверторов получает электропитание от общей линии электропитания, для каждого из упомянутых двух инверторов предусмотрено средство выключения для отсоединения соответствующего инвертора от упомянутой линии электропитания в случае отказа. Предложено средство развязки звена постоянного тока для устранения условий возникновения резонанса этих инверторов, это средство представляет собой RL-фильтр, состоящий из параллельно соединенных гасящего дросселя и гасящего резистора. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Преобразовательный узел с параллельно включенными многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями, а также способ управления им // 2629005

Изобретение относится к области электротехники и может быть использован многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями. Техническим результатом является уменьшение доли верхних гармоник выходного переменного напряжения. Осуществляется способ управления несколькими включенными параллельно своими контактными выводами (21) переменного напряжения многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями (2), содержащими каждый последовательную схему из двухполюсных подмодулей. При этом каждый из подмодулей содержит по меньшей мере два управляемых электронных переключателя и накопитель энергии, при этом управляемые электронные переключатели включены последовательно с образованием последовательной схемы. Последовательная схема расположена параллельно накопителю энергии. В способе на соответствующем контактном выводе (21) переменного напряжения многоступенчатых полупроводниковых преобразователей (2) создается ступенчатое изменение напряжения. При этом изменение напряжения второго многоступенчатого полупроводникового преобразователя смещается во времени относительно изменения напряжения первого многоступенчатого полупроводникового преобразователя. Преобразовательный узел (1) содержит средства для задержки во времени изменения переменного напряжения по меньшей мере одного многоступенчатого полупроводникового преобразователя (2) относительно изменения переменного напряжения другого многоступенчатого полупроводникового преобразователя (2). 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

Регулируемый электропривод переменного тока // 2629009

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании электропривода с трехфазным двигателем, питаемыми от многоуровневого инвертора на управляемых полупроводниковых приборах (УПП) (транзисторах или запираемых тиристорах), шунтированных «обратными» диодами. Техническим результатом является исключение возможности возникновения автоколебаний и возможности увеличения отклонений мгновенных значений фазных токов от заданных, снижение частоты переключений УПП инвертора до приемлемого уровня без использования дополнительных реакторов. Соединение нулевой точки обмотки статора двигателя с точкой нулевого потенциала инвертора обеспечивает устойчивую работу блока управления с тремя регуляторами фазных токов так, что при всех условиях мгновенные значения токов не выходят за границы заданного токового коридора; при этом независимо от степени искажения фазных противо-ЭДС двигателя искажения токов фаз двигателя высшими гармониками минимальны. 3 ил.

Система и способ для мощного преобразователя постоянного тока в постоянный ток // 2634675

Изобретение относится к области электротехники. Раскрыты устройство и способ преобразования напряжения. Сигналы модуляции с фазовым сдвигом создают и чередуют для создания перемежающихся сигналов модуляции с фазовым сдвигом. Управление несколькими мостовыми преобразователями напряжения осуществляют посредством перемежающихся сигналов модуляции с фазовым сдвигом для преобразования входного тока с входным напряжением в выходной ток с выходным напряжением. Технический результат – уменьшение пульсаций выходного тока. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Многоуровневое силовое преобразовательное устройство // 2634910

Изобретение относится к области преобразовательной техники. Многоуровневое силовое преобразовательное устройство содержит: N источников (DCC1-DCCN) питания постоянного тока (N≥1), соединенных последовательно и являющихся общими для каждой фазы; первые навесные конденсаторы (FC1, FC3, …, FC2N-1), один конец которых соединен с отрицательным электродным выводом каждого из источников (DCC1-DCCN) питания постоянного тока и является общим для каждой фазы; вторые навесные конденсаторы (FC2, FC4, …, FC2N), один конец которых соединен с положительным электродным выводом каждого из источников (DCC1-DCCN) питания постоянного тока и является общим для каждой фазы; и фазовый модуль, использующий, в качестве входных клемм, положительные и отрицательные электродные выводы первых навесных конденсаторов (FC1, FC3, …, FC2N-1) и положительные и отрицательные электродные выводы вторых навесных конденсаторов (FC2, FC4, …, FC2N). В фазовом модуле конденсатор (FC1u) соединен параллельно с двумя коммутационными элементами (Su7, Su8) выходного каскада. Это уменьшает количество элементов, используемых в многофазном многоуровневом силовом преобразовательном устройстве, снижая тем самым стоимость устройства и уменьшая размеры устройства. 8н. и 21 з.п. ф-лы, 33 ил.