СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СХЕМОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Область техники

Изобретение относится к области силовой электроники. Конкретно относится к способу управления преобразовательной схемой и устройству для осуществления способа в соответствии с ограничительными частями независимых пунктов формулы.

Уровень техники

Преобразовательные схемы используются сегодня во множестве применений. В WO 2007/023064 А1 описана преобразовательная схема, напряжение которой особенно легко пересчитывается. Она содержит первую и вторую частичные преобразовательные системы, которые последовательно соединены между собой посредством двух последовательно включенных индуктивностей. Точка соединения обеих последовательно включенных индуктивностей образует выход, например для электрической нагрузки. Каждая частичная преобразовательная система включает в себя, по меньшей мере, одну двухполюсную коммутационную ячейку, причем в случае нескольких коммутационных ячеек одной частичной преобразовательной системы они последовательно соединены между собой. Каждая двухполюсная коммутационная ячейка содержит два последовательно включенных управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателя с управляемым однонаправленным прохождением тока и емкостной накопитель энергии, включенный параллельно последовательной схеме из силовых полупроводниковых выключателей.

Для управления преобразовательной схемой по WO 2007/023064 А1 предусмотрено изображенное на фиг.1 известное устройство, которое содержит первую управляющую схему для формирования управляющего сигнала для управления силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек первой частичной преобразовательной системы и вторую управляющую схему для формирования дополнительного управляющего сигнала для управления силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек второй частичной преобразовательной системы.

Обычно преобразовательная схема по WO 2007/023064 А1 управляется таким образом, что на выходе вырабатываются чистое переменное напряжение и чистый переменный ток. Расчет емкостных накопителей энергии коммутационных ячеек осуществляется таким образом, что пульсация напряжения на емкостных накопителях остается в пределах заданного диапазона колебаний для данного максимального тока на выходе, причем этот ток имеет данную частоту. Если желательна меньшая частота, нежели та, которая была положена в основу расчета, то пульсация напряжения возрастает. Если на выходе должен вырабатываться постоянный ток или переменный ток с постоянной составляющей, то пульсация напряжения возрастает почти до бесконечности. В этом случае емкостные накопители энергии должны либо запитываться извне, либо должны быть выбраны бесконечно большими, с тем чтобы они при работе с постоянным током или с постоянной составляющей на выходе не разряжались полностью или не перезаряжались произвольно.

Способ управления преобразовательной схемой по WO 2007/023064 А1, который позволял бы рассчитывать емкостные накопители энергии независимо от желаемого тока на выходе, т.е. независимо от его частоты, в настоящее время неизвестен.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание способа управления преобразовательной схемой, который обеспечивал бы расчет ее емкостных накопителей энергии, независимо от желаемого тока на выходе преобразовательной схемы, т.е. от его частоты. Кроме того, задачей изобретения является создание устройства, с помощью которого особенно простым образом можно было бы осуществить предложенный способ.

Эти задачи решаются согласно признакам пп.1 и 10 формулы соответственно. В зависимых пунктах приведены предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Преобразовательная схема содержит первую и вторую частичные преобразовательные системы, которые последовательно соединены между собой посредством двух последовательно включенных индуктивностей. Точка соединения обеих последовательно включенных индуктивностей образует выход. Каждая частичная преобразовательная система включает в себя, по меньшей мере, одну двухполюсную коммутационную ячейку, и каждая двухполюсная коммутационная ячейка содержит два последовательно включенных управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателя с управляемым однонаправленным направлением прохождения тока и включенный параллельно последовательной схеме из силовых полупроводниковых выключателей емкостной накопитель энергии. Преимущественно число коммутационных ячеек первой частичной преобразовательной системы соответствует числу коммутационных ячеек второй частичной преобразовательной системы. В части способа силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек первой частичной преобразовательной системы управляют посредством управляющего сигнала, а силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек второй частичной преобразовательной системы - посредством дополнительного управляющего сигнала. Согласно изобретению, управляющий сигнал формируют из сигнала колебаний напряжения на индуктивностях и коммутационной функции для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек первой частичной преобразовательной системы, а дополнительный управляющий сигнал - из сигнала колебаний напряжения на индуктивностях и коммутационной функции для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек второй частичной преобразовательной системы, причем коммутационные функции формируют посредством сигнала колебаний напряжения на выходе и выбираемого опорного сигнала, в частности одновременно. Посредством приложения колебаний, т.е. за счет сигнала колебаний напряжения на индуктивностях для формирования управляющего и дополнительного управляющего сигналов и за счет сигнала колебаний напряжения на выходе для формирования коммутационных функций, можно предпочтительно достичь того, что пульсацию напряжения на емкостных накопителях энергии при желаемом токе на выходе преобразовательной схемы можно заметно уменьшить, в результате чего расчет емкостных накопителях энергии, который приходится осуществлять только в отношении уменьшенной пульсации напряжения, не зависит от желаемого выходного тока.

Предложенное устройство для осуществления способа управления преобразовательной схемы содержит предназначенную для формирования управляющего сигнала первую управляющую схему, соединенную с силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек первой частичной преобразовательной системы. Кроме того, устройство содержит предназначенную для формирования дополнительного управляющего сигнала вторую управляющую схему, соединенную с силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек второй частичной преобразовательной системы. Согласно изобретению, к первой управляющей схеме для формирования управляющего сигнала подается сигнал колебаний напряжения на индуктивностях и коммутационная функция для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек первой частичной преобразовательной системы. Ко второй управляющей схеме для формирования дополнительного управляющего сигнала подается сигнал колебаний напряжения на индуктивностях и коммутационная функция для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек второй частичной преобразовательной системы. Кроме того, предусмотрен первый вычислительный блок для формирования коммутационных функций из сигнала колебаний напряжения на выходе и выбираемого опорного сигнала. Устройства для осуществления способа управления преобразовательной схемы реализовано, тем самым, очень просто и рентабельно, поскольку схемные затраты можно поддерживать крайне низкими и к тому же конструкция требует лишь небольшого числа элементов. С помощью этого устройства предложенный способ осуществляется, тем самым, особенно просто.

Эти и другие задачи, преимущества и признаки изобретения становятся очевидными из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления в сочетании с чертежами.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг.1 - вариант устройства для осуществления способа в соответствии с уровнем техники;

фиг.2 - вариант предложенного устройства для осуществления предложенного способа;

фиг.3 - временная характеристика тока на выходе преобразовательной схемы;

фиг.4 - временная характеристика напряжения на выходе преобразовательной схемы;

фиг.5 - временная характеристика токов через первую и вторую частичные преобразовательные системы.

Используемые на фигурах ссылочные позиции и их значение объединены в перечне. В принципе, на фигурах одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Описанные варианты являются примерами объекта изобретения и не обладают ограничительным действием.

Осуществление изобретения

На фиг.1, как уже упомянуто, изображен вариант устройства для осуществления способа в соответствии с уровнем техники. На фиг.2 изображен вариант предложенного устройства для осуществления предложенного способа. Преобразовательная схема на фиг.2 содержит первую 1 и вторую 2 частичные преобразовательные системы, которые последовательно соединены между собой посредством двух последовательно включенных индуктивностей L1, L2. Точка соединения обеих последовательно включенных индуктивностей L1, L2 образует выход. Каждая частичная преобразовательная система 1, 2 включает в себя, по меньшей мере, одну двухполюсную коммутационную ячейку 3. В случае нескольких коммутационных ячеек 3 частичной преобразовательной системы 1, 2 они последовательно соединены между собой (фиг.2). Каждая двухполюсная коммутационная ячейка 3 содержит два последовательно включенных управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателя с управляемым однонаправленным направлением прохождения тока и емкостный накопитель энергии, включенный параллельно последовательной схеме из силовых полупроводниковых выключателей. Управляемый силовой полупроводниковый выключатель выполнен, в частности, в виде запираемого тиристора (GТО) или тиристора с интегрированным управлением (IGCT) соответственно со встречно-параллельно включенным диодом. Можно также выполнить управляемый силовой полупроводниковый выключатель, например, в виде силового транзистора MOSFET с дополнительно встречно-параллельно включенным диодом или в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) с дополнительно встречно-параллельно включенным диодом. Предпочтительно число коммутационных ячеек 3 первой частичной преобразовательной системы 1 соответствует числу коммутационных ячеек 3 второй частичной преобразовательной системы 2.

В части способа силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек 3 первой частичной преобразовательной системы 1 управляют посредством управляющего сигнала S1, а силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек 3 второй частичной преобразовательной системы 2 - посредством дополнительного управляющего сигнала S2. Оба сигнала для каждой коммутационной ячейки 3 преимущественно смещены по времени, так что каждой коммутационной ячейкой 3 можно управлять предпочтительно со смещением по времени. Согласно изобретению, управляющий сигнал S1 формируется из сигнала V_L колебаний напряжения на индуктивностях L1, L2 и коммутационной функции α₁ для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек 3 первой частичной преобразовательной системы 1, в частности из суммы обеих величин, а дополнительный управляющий сигнал S2 - из сигнала V_L колебаний напряжения на индуктивностях L1, L2 и коммутационной функции α₂ для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек 3 второй частичной преобразовательной системы 2, в частности из суммы обеих величин, причем коммутационные функции α₁, α₂ формируются посредством сигнала V_A колебаний напряжения V_u на выходе А и выбираемого опорного сигнала V_ref, в частности одновременно. Преимущественно в качестве опорного сигнала V_ref выбирают опорный сигнал напряжения V_u на выходе А, который формируют путем регулирования фактического значения тока i_u на выходе А до заданного значения.

В результате приложенных колебаний, т.е. с помощью сигнала V_L колебаний напряжения на индуктивностях L1, L2 для формирования управляющего S1 и дополнительного управляющего S2 сигналов, а также с помощью сигнала V_A колебаний напряжения V_u на выходе А для формирования коммутационных функций α₁, α₂, можно достичь существенного уменьшения пульсации напряжения на емкостных аккумуляторах энергии при желаемом токе i_u на выходе А преобразовательной схемы, что означает, что расчет емкостных аккумуляторов энергии требуется осуществлять только в отношении уменьшенной пульсации напряжения, и, следовательно, без зависимости от желаемого выходного тока i_u.

Согласно изобретению, коммутационную функцию α₁ для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек 3 первой частичной преобразовательной системы 1 формируют из сигнала V_A колебаний напряжения V_u на выходе А и выбираемого опорного сигнала V_ref по следующей формуле:

Коммутационную функцию α₂ для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек 3 второй частичной преобразовательной системы 2 формируют из сигнала V_A колебаний напряжения V_u на выходе А и выбираемого опорного сигнала V_ref по следующей формуле:

Согласно изобретению, сигнал V_L колебаний напряжения на индуктивностях L1, L2 формируется из сигнала V_i колебаний тока частичных преобразовательных систем 1, 2, как поясняет следующая формула:

Сигнал V_i колебаний тока частичных преобразовательных систем 1, 2 формируют, в свою очередь, преимущественно из амплитудного значения А_h сигнала колебаний тока, в частности путем умножения этого амплитудного значения А_h на колебания с произвольно выбираемой частотой ω и фазовым сдвигом φ, как поясняет следующая формула:

Амплитудное значение А_h сигнала колебаний тока формируется из опорного сигнала V_ref и фактического значения i_u тока на выходе А, в частности из постоянной составляющей I₀ тока i_u, при этом фактическое значение i_u тока, например, измеряют. Для формирования амплитудного значения А_h сигнала колебаний тока используется следующая взаимосвязь по формуле (5.1):

и, например, по формуле (5.2)

где Δφ - разность фаз между приложенными колебаниями и напряжением V_u на выходе А. Следует указать на то, что отношение А_h к М_h в формуле (5.2) взято лишь в качестве примера, т.е. отношение А_h к М_h может быть выбрано произвольным. Для определения амплитудного значения А_h сигнала колебаний тока формула (5.1) должна быть решена только по амплитудному значению A_h сигнала колебаний тока.

Сигнал V_A колебаний напряжения V_u на выходе А формируют из амплитудного значения М_h колебаний напряжения, преимущественно путем умножения этого амплитудного значения М_h на колебания с произвольно выбираемой частотой ω и фазовым сдвигом φ, как поясняет следующая формула:

Амплитудное значение М_h сигнала колебаний напряжения формируется из фактического значения i_u тока на выходе А и опорного сигнала V_ref, причем предпочтительно можно прибегнуть к формулам (5.1) и (5.2), а для определения амплитудного значения М_h сигнала колебаний напряжения формула (5.1) должна быть решена только в отношении амплитудного значения М_h сигнала колебаний.

Преимущественно сигнал V_i колебаний тока частичных преобразовательных систем 1, 2, сигнал V_L колебаний напряжения на индуктивностях L1, L2 и сигнал V_A колебаний напряжения V_u на выходе А имеют одинаковую частоту ω. Кроме того, сигнал V_i колебаний тока частичных преобразовательных систем 1, 2, сигнал V_L колебаний напряжения на индуктивностях L1, L2 и сигнал V_A колебаний напряжения V_u на выходе А имеют предпочтительно одинаковый фазовый сдвиг φ, причем одинаковый фазовый сдвиг φ необязателен.

С помощью предложенного способа предпочтительно можно вырабатывать на выходе А ток i_u с постоянной и переменной составляющими с частотой ω, который основан на упомянутых выше прикладываемых колебаниях, причем только приложенные колебания влияют на пульсацию напряжения на емкостных аккумуляторах энергии коммутационных ячеек 3, благодаря чему пульсацию напряжения можно поддерживать на низком уровне. Связанный с этим расчет емкостных аккумуляторов энергии может осуществляться предпочтительно только в отношении этой низкой пульсации напряжения, т.е. без зависимости от желаемого выходного тока i_u. Ток i_u на выходе А вычисляется следующим образом:

где I₀ - упомянутая постоянная составляющая, a - амплитуда упомянутой переменной составляющей. Для пояснения на фиг.3 изображена временная характеристика тока i_u на выходе А преобразовательной схемы. Кроме того, на фиг.4 изображена временная характеристика напряжения V_u на выходе А преобразовательной схемы. На фиг.5 изображена временная характеристика тока i₁ через первую частичную преобразовательную систему 1 и тока i₂ через вторую частичную преобразовательную систему 2, причем в обоих токах i₁, i₂ также содержатся постоянная и переменная составляющие с частотой ω, вызванные упомянутыми выше приложенными колебаниями. Полноты ради следует сказать, что токи в емкостных аккумуляторах энергии не содержат никакой постоянной составляющей и никаких переменных составляющих с частотой ω, или двукратной частотой ω упомянутых выше приложенных колебаний.

В многофазной системе, например в трехфазной системе с тремя преобразовательными схемами, приложенные колебания, если они выбраны с одинаковыми фазовыми сдвигами, являются синфазным напряжением на многофазной нагрузке, подключенной к фазовым выводам А. Дополнительных колебаний тока не возникает. Этот способ применяется, например, при сверхмодуляции. В противоположность сверхмодуляции здесь частота и фазный угол синфазного напряжения произвольные. Выходной ток i₀, который тогда является многофазным, является постоянным током, т.е. он не имеет переменных составляющих.

Если ток i_u на выходе А должен иметь желаемую переменную составляющую с частотой ω_u и желаемым фазовым сдвигом φ_u, то формула (5.1) изменяется следующим образом:

причем для определения амплитудного значения А_h сигнала колебаний тока также можно прибегнуть к формуле (5.2), а амплитудное значение А_h сигнала колебаний тока и амплитудное значение M_h сигнала колебаний напряжения, как уже сказано, можно определить по формулам (8) и (5.2). Тогда на выходе А желаемым образом возникает следующий ток i_u:

где - предполагаемое амплитудное значение тока.

Устройство на фиг.2 содержит предназначенную для формирования управляющего сигнала S1 первую управляющую схему 4, соединенную с силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек 3 первой частичной преобразовательной системы 1. Кроме того, предусмотрена предназначенная для формирования дополнительного управляющего сигнала S2 вторая управляющая схема 5, соединенная с силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек 3 второй частичной преобразовательной системы 2. Согласно изобретению, к первой управляющей схеме 4 для формирования управляющего сигнала S1 подается сумма, полученная из сигнала V_L колебаний напряжения на индуктивностях L1, L2 и коммутационной функции α₁ для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек 3 первой частичной преобразовательной системы 1. Ко второй управляющей схеме 5 для формирования дополнительного управляющего сигнала S2 подается сумма, полученная из сигнала V_L колебаний напряжения на индуктивностях L1, L2 и коммутационной функции α₂ для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек 3 второй частичной преобразовательной системы 2. Для формирования управляющего S1 и дополнительного управляющего S2 сигналов служит, например, соответствующая таблица соответствия (look-up table) в первой 4 и второй 5 управляющих схемах, в которых за коммутационной функцией α₁ жестко закреплены соответствующие управляющие сигналы S1, а за коммутационной функцией α₂ - соответствующие управляющие сигналы S2, или, например, соответствующий модулятор, основанный на способе широтно-импульсной модуляции. Кроме того, предусмотрены первый вычислительный блок 6 для формирования коммутационных функций α₁, α₂ посредством расчета по формулам (1) и (2) из сигнала V_A колебаний напряжения V_u на выходе А и выбираемого опорного сигнала V_ref.

На фиг.2 предусмотрен второй вычислительный блок 10 для формирования сигнала V_L колебаний напряжения на индуктивностях L1, L2 из сигнала V_i колебаний тока частичных преобразовательных систем 1, 2, причем второй вычислительный блок 10 формирует сигнал V_L колебаний напряжения на индуктивностях L1, L2 путем расчета по формуле (3).

Также предусмотрен третий вычислительный блок 7 для формирования сигнала V_i колебаний тока частичных преобразовательных систем 1, 2 из амплитудного значения А_h сигнала колебаний тока, который формирует сигнал V_i колебаний тока частичных преобразовательных систем 1, 2 путем расчета по формуле (4).

Кроме того, предусмотрен четвертый вычислительный блок 9 для формирования амплитудного значения А_h сигнала колебаний тока из фактического значения i_u тока на выходе А и опорного сигнала V_ref, причем четвертый вычислительный блок 9 формирует амплитудное значение А_h сигнала колебаний тока путем расчета по формулам (5.1 и (5.2) или (8) и (5.2).

Пятый вычислительный блок 8 служит для формирования сигнала V_A колебаний напряжения V_u на выходе А из амплитудного значения М_h колебаний напряжения, причем пятый вычислительный блок 8 формирует сигнал V_A колебаний напряжения V_u на выходе А путем расчета по формуле (6).

Четвертый вычислительный блок 9 также служит для формирования амплитудного значения М_h колебаний напряжения из фактического значения i_u тока на выходе А и опорного сигнала V_ref, причем четвертый вычислительный блок 9 формирует амплитудное значение М_h колебаний напряжения путем расчета по формулам (5.1 и (5.2) или (8) и (5.2).

В целом, удалось показать, что изображенное, в частности, на фиг.2 предложенное устройство может быть реализовано очень просто и рентабельно, поскольку схемные затраты крайне малы и к тому же конструкция требует лишь небольшого числа элементов. С помощью этого устройства предложенный способ осуществляется, тем самым, особенно просто.

Перечень ссылочных позиций

1 - первая частичная преобразовательная система

2 - вторая частичная преобразовательная система

3 - коммутационная ячейка

4 - первая управляющая схема

5 - вторая управляющая схема

6 - первый вычислительный блок

7 - третий вычислительный блок

8 - пятый вычислительный блок

9 - четвертый вычислительный блок

10 - второй вычислительный блок.