ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ

Изобретение относится к преобразователям напряжения, в частности к инверторам, которые из множества источников постоянного напряжения генерируют переменные напряжения.

Давно известны многочисленные формы преобразователей напряжения, такие, к примеру, как инверторы для подачи одного или нескольких переменных или фазных напряжений. Примерами конфигураций инверторов являются ANPC (active neutral point clamped), NPC (neutral point clamped) или MPC, каскадные Н-мосты и проч. с соответствующими специфическими свойствами. Во многих конфигурациях инверторов имеет место распределительное устройство, у которого высокие напряжения в пределах изменения подаваемого выходного напряжения должны иметь высокую частоту, чтобы подавать необходимые характеристики напряжений на выходы инвертора. Это требует соответствующего расчета используемых мощных конструктивных элементов, вследствие чего традиционные конфигурации инверторов оказываются дороги в изготовлении.

Часть традиционных инверторов имеет далее конденсаторы промежуточного контура для обеспечения возможности подачи промежуточных напряжений, с которыми могут быть поданы многие уровни напряжения для работы инвертора. Эти конденсаторы, как правило, восприимчивы к старению металла, так что срок эксплуатации такого рода инверторов ограничен.

В US 6104624 представлен преобразователь в соответствии с родовым понятием согласно уровню техники, который имеет два элемента коммутации, к которым соответственно приложен лишь один единственный потенциал промежуточного напряжения и каждый элемент коммутации может в таком случае выбрать лишь этот потенциал промежуточного напряжения для выдачи в качестве соответствующего потенциала выходного напряжения.

Задачей предложенного на рассмотрение изобретения является создание инвертора, который может эксплуатироваться, в частности, с большим количеством отдельных источников напряжения. Задачей предложенного на рассмотрение изобретения является далее создание способа эксплуатации такого рода инвертора.

Данная задача решается посредством преобразователя в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения, а также посредством способа эксплуатации преобразователя в соответствии с последующими пунктами формулы изобретения.

Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В соответствии с первым аспектом преобразователь предусмотрен для подачи нескольких выходных напряжений или нескольких потенциалов выходных напряжений на соответствующих выходах.

Преобразователь включает в себя:

- несколько блоков регулировки, которые соответственно присоединены к одному из нескольких источников входного напряжения, причем каждый из блоков регулировки выполнен с возможностью изменения входного напряжения, поданного от присоединенного источника входного напряжения, и подачи промежуточного напряжения; и

- несколько элементов коммутации, причем к каждому элементу коммутации приложены определенные посредством промежуточных напряжений потенциалы промежуточных напряжений и каждый элемент коммутации выполнен, чтобы выбирать один из потенциалов промежуточного напряжения для выдачи в качестве соответствующего потенциала выходного напряжения.

Основная идея вышеописанного преобразователя состоит в том, чтобы к нескольким источникам входного напряжения присоединить блоки регулировки для получения переменных промежуточных напряжений. С помощью элементов коммутации для каждого подаваемого потенциала выходного напряжения выбирается соответствующий потенциал промежуточного напряжения, который подается от блоков регулировки, и потенциал промежуточного напряжения подается в качестве подаваемого потенциала выходного напряжения. У такого преобразователя характеристики напряжения на каждом из выходов могут быть образованы, тем самым, посредством частичного соединения поданных от блоков регулировки характеристик потенциалов промежуточного напряжения. Элементы коммутации имеют при этом лишь функцию переключения поданного от одного из блоков регулировки потенциала промежуточного напряжения на один из выходов. Собственно функция подачи требуемого потенциала промежуточного напряжения производится для каждого источника входного напряжения. В силу имеющихся там более низких напряжений требования к производительности или к расчету параметров используемых там конструктивных элементов значительно меньше.

Выходы напряжения блоков регулировки могут быть далее соединены друг с другом последовательно, так что промежуточные напряжения суммируются и к каждой части или к каждому из выходов напряжения подается соответствующий потенциал промежуточного напряжения для произведения выбора посредством соответствующего элемента коммутации.

В соответствии с другим аспектом инвертор предусмотрен с описанным выше преобразователем и с блоком управления. Блок управления выполнен для настройки нескольких блоков регулировки, так чтобы блоки регулировки подавали потенциалы промежуточных напряжений, которые содержат подаваемые потенциалы выходных напряжений, причем блок управления выполнен далее, чтобы соответственно выбирать один из потенциалов промежуточного напряжения и подавать его на соответствующий выход.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения блок управления выполнен, чтобы производить настройку элементов коммутации, так чтобы производился выбор минимального, поданного от блоков регулировки потенциала промежуточного напряжения для подачи минимального потенциала выходного напряжения и максимального, поданного от блоков регулировки потенциала промежуточного напряжения для подачи максимального потенциала выходного напряжения.

Далее блок управления может быть выполнен, чтобы производить настройку блоков регулировки, так чтобы при последовательно подключенных промежуточных напряжениях суммированные промежуточные напряжения в итоге давали напряжение, которое соответствует напряжению между максимальным подаваемым потенциалом выходного напряжения и минимальным подаваемым потенциалом выходного напряжения.

В частности, блок управления может быть выполнен, чтобы производить настройку блоков регулировки, так чтобы средний из потенциалов выходного напряжения подавался посредством выбора одного из средних потенциалов промежуточного напряжения.

Может быть предусмотрено, что блок управления выполнен, чтобы производить настройку блоков регулировки, так чтобы средний потенциал промежуточного напряжения генерировался на выбранном выходе напряжения одного из блоков регулировки.

Блок управления может быть выполнен, чтобы выход напряжения одного из блоков регулировки выбирать в зависимости от желаемого распределения нагрузки присоединенных к блокам регулировки источников входного напряжения, причем, в частности, соотношение промежуточных напряжений отдельных блоков регулировки соответствует желаемому распределению нагрузки соответствующих блоков регулировки.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения блок управления выполнен, чтобы выбирать выход напряжения одного из боков регулировки посредством того, что разность напряжений между максимальным и минимальным потенциалами выходного напряжения определяется количеством имеющихся в распоряжении блоков регулировки и для подачи одного из средних потенциалов выходного напряжения выбирается выход напряжения того блока регулировки, который следует за подаваемым потенциалом выходного напряжения.

Блок управления может быть выполнен, в частности, чтобы настраивать блоки регулировки, так чтобы средний потенциал промежуточного напряжения генерировался посредством того, что первая группа из одного или нескольких блоков регулировки, которые расположены между выбранным выходом напряжения и выходом напряжения максимального потенциала промежуточного напряжения, соответственно подает промежуточное напряжение, которое соответствует разности напряжений между подаваемым потенциалом выходного напряжения и максимальным подаваемым потенциалом выходного напряжения, поделенной на количество блоков регулировки первой группы, и посредством того, что вторая группа блоков регулировки, которые расположены между выбранным выходом напряжения и выходом напряжения минимального потенциала промежуточного напряжения, соответственно подает промежуточное напряжение, которое соответствует разности напряжений между подаваемым потенциалом выходного напряжения и минимальным подаваемым потенциалом выходного напряжения, поделенной на количество блоков регулировки второй группы.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения блок управления может быть выполнен, чтобы для подачи выходных напряжений циклично или непрерывно производить изменение промежуточных напряжений блоков регулировки, так чтобы промежуточные напряжения подавались непрерывно или со следующими друг за другом временными интервалами.

В соответствии со следующим аспектом предусмотрен способ эксплуатации вышеописанного преобразователя. Способ включает в себя следующие этапы:

- настройка нескольких блоков регулировки, так чтобы блоки регулировки подавали потенциалы промежуточных напряжений, которые содержат подаваемые потенциалы выходных напряжений,

- настройка элементов коммутации, так чтобы соответственно выбирался один из потенциалов промежуточного напряжения и подавался на соответствующий выход.

Варианты осуществления изобретения разъясняются далее более детально на основании приложенных чертежей, на которых представлено:

фиг.1 - схематичное изображение инвертора с четырьмя источниками постоянного напряжения и тремя выходами, на которые подаются потенциалы выходного напряжения;

фиг.2 - схематичное изображение возможного варианта осуществления блок регулировки инвертора с фиг.1;

фиг.3 - характеристики трех выходных напряжений и потенциалы промежуточных напряжений отдельных блоков регулировки в качестве доли при генерировании соответствующего фазного напряжения.

Фиг.1 демонстрирует схематичное изображение многоуровнего трехфазного инвертора 1 в качестве примера преобразователя в соответствии с изобретением.

Питание инвертора 1 осуществляется от нескольких источников 2 входного напряжения. Источники 2 входного напряжения могут включать в себя, к примеру, источники постоянного напряжения в форме элементов солнечных батарей, топливных элементов, генераторов, батарей и т.д. В представленном примере осуществления изобретения используются четыре источника 2 входного напряжения. Может быть использовано, однако, любое другое количество источников входного напряжения. Источники 2 входного напряжения подают, соответственно, входное напряжение U_IN1-U_IN4.

Источники 2 входного напряжения могут включать в себя, соответственно, несколько отдельных источников одиночных напряжений, подключенных последовательно и/или параллельно. В частности, источники 2 входного напряжения могут включать в себя схему параллельного соединения нескольких схем последовательного соединения с несколькими источниками одиночных напряжений. Схемы последовательного подключения с целью разрыва связи могут быть соединены друг с другом через соответствующие катушки индуктивности. Катушки индуктивности могут быть выполнены в качестве отдельных конструктивных элементов или в качестве катушек чистой паразитной индуктивности, то есть посредством проводов соответствующей длины.

Каждый из источников 2 входного напряжения соединен с соответствующим блоком 3 регулировки, который на основании соответственно поданного входного напряжения U_IN1-U_IN4 генерирует соответствующее переменное промежуточное напряжение U₁-U₄. То есть, блок 3 регулировки может на основании поданного входного напряжения U_IN1-U_IN4 генерировать промежуточное напряжение в пределах от 0 до U_INn (n=1…4) в соответствии с сигналом от блока 5 управления.

На фиг.2 представлен возможный вариант осуществления такого блока 3 регулировки, который может быть использован в инверторе согласно фиг.1. Фиг.2 демонстрирует простую схему подключения инвертора с первым силовым выключателем в качестве высоковольтного транзистора 31 и со вторым силовым выключателем в качестве низковольтного транзистора 32, которые управляются сепаратно. Посредством попеременного включения и выключения транзисторов 31, 32, к примеру, с помощью импульсной модуляции на основании прилагаемого входного напряжения U_IN можно генерировать соответствующее напряжение в виде промежуточного напряжения U_z (U₁-U₄). Конденсатор 33 может быть предусмотрен для выравнивания поданного промежуточного напряжения U_z.

В представленном инверторе поданные через блоки 3 регулировки промежуточные напряжения U₁-U₄ соединены последовательно. За счет последовательного соединения промежуточных напряжений U₁-U₄ выявляется проводник напряжения с промежуточными потенциалами V₀-V₄, которые через соответствующие промежуточные провода 6₀-6₄ подаются на блок 4 коммутации.

Блок 4 коммутации подает выходные напряжения U_out1, U_out2, U_out3 или потенциалы V_out1, V_out2, V_out3 выходных напряжений на соответствующие выходы A₁, A₂, A₃ инвертора 1. Блок 4 коммутации имеет для каждого выхода инвертора 1 отдельный элемент 41 коммутации, который со стороны входа соединен с промежуточными потенциалами V₀-V₄, и, в зависимости от поданного с блока 5 управления для каждого элемента 41 коммутации сигнала управления, выбирает один из промежуточных потенциалов V₀-V₄ и подает его на соответствующий вход A₁, A₂, A₃ в качестве потенциала V_out1, V_out2, V_out3 выходного напряжения или в качестве выходного напряжения U_out1, U_out2, U_out3. В представленном примере осуществления изобретения инвертор имеет три выхода, к которым, соответственно, присоединен элемент 41 коммутации для подачи выходных напряжений U_out1, U_out2, U_out3 или потенциалов V_out1, V_out2, V_out3 выходных напряжений.

Принцип действия представленного инвертора 1 базируется, в основном, на необходимости настройки блоков 3 регулировки для подачи промежуточного напряжения U₁-U₄ таким образом, чтобы промежуточные потенциалы V₀-V₄ или промежуточные напряжения U₁-U₄ в любой момент времени предоставляли желаемые заданные потенциалы V_out1, V_out2, V_out3 выходных напряжений или желаемые заданные выходные напряжения U_out1, U_out2, U_out3. То есть, по меньшей мере, один из промежуточных потенциалов V₀-V₄ соответствует одному соответствующему подаваемому потенциалу V_out1, V_out2, V_out3 выходного напряжения или, по меньшей мере, одно из промежуточных напряжений U₁-U₄ соответствует одному соответствующему подаваемому выходному напряжению U_out1, U_out2, U_out3. Таким образом, элементы 41 коммутации могут выбрать соответствующий потенциал V_out1, V_out2, V_out3 выходного напряжения или соответствующие выходные напряжения U_out1, U_out2, U_out3 для подачи на соответствующие выходы инвертора 1.

Выбор промежуточных напряжений посредством элементов 41 коммутации и настройка блоков 3 регулировки производится циклично или периодически, так что с течением времени выявляются желаемые характеристики выходных напряжений U_out1, U_out2, U_out3 или потенциалы V_out1, V_out2, V_out3 выходных напряжений.

В результате настройка блоков 3 регулировки посредством блока 5 управления приводит к тому, что блоки 3 регулировки, соответственно, частично предоставляют в распоряжение определенную характеристику кривой напряжения - настроенную посредством блока 5 управления - так что элементы 41 коммутации на определенный временной интервал, соответственно, соединяются с одним из проводов 6₀-6₄ промежуточного напряжения, прежде чем они переключатся на следующий провод 6₀-6₄ промежуточного напряжения.

Блок 5 управления берет на себя управление блоками 3 регулировки и элементами 41 коммутации блока 4 коммутации таким образом, что генерируется определенная заданная характеристика выходных напряжений U_OUT1-U_OUT3 или характеристика потенциалов V_out1, V_out2, V_out3 выходных напряжений.

В соответствии со способом для генерирования выходных напряжений U_OUT1-U_OUT3 в любой момент времени (цикл) должно быть произведено определение настраиваемых посредством блоков 3 регулировки промежуточных напряжений U₁-U₄. Для этого может быть использован, к примеру, следующий способ.

Сначала на основании предписанных значений для желаемых потенциалов V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3 выходных напряжений минимальный выходной потенциал определяется как V_LOW, средний выходной потенциал как V_MID, а максимальный выходной потенциал как V_HIGH. Минимальный выходной потенциал V_LOW подается в этом случае от проводника 6₀ промежуточного потенциала, а максимальный выходной потенциал V_HIGH подается от провода 6₄ промежуточного потенциала (при условии, что промежуточные напряжения U_z блоков 3 регулировки положительны). Соответствующие элементы 41 переключения соединяют, таким образом, тот самый выход с проводом 6₀ промежуточного потенциала, на котором должен быть выдан минимальный выходной потенциал V_LOW, и тот самый выход с проводом 6₄ промежуточного потенциала, на котором должен быть выдан максимальный выходной потенциал V_HIGH. Средний выходной потенциал V_MID может быть подан с одного из проводов 6₁, 6₂ и 6₃ промежуточного потенциала.

Чтобы распределить запрашиваемую от источников 2 входного напряжения мощность максимально равномерно, предусмотрено, что выбирается тот провод из проводов промежуточных напряжений, который располагается между проводом промежуточного потенциала с минимальным потенциалом и проводом промежуточного потенциала с максимальным потенциалом, который выбирается в соответствии со следующим правилом. Провод 6х промежуточного потенциала должен генерировать среднее значение напряжения для оставшегося выхода инвертора 1, причем 1≤X≤N-1 с количеством N источников входного напряжения, в предложенном на рассмотрение случае N соответствует 4. Тогда действительно следующее уравнение:

X=Floor(1+r(N-1)),

причем r=(V_MID-V_LOW)/(V_HIGH-V_LOW).

В качестве промежуточных напряжений соответственно настраиваются

U₁…U_x=(V_MID-V_LOW)/X и U_x+1…U_N-1=(V_HIGH-U_MID)/(N-X).

Провод 6_x промежуточного потенциала соответственно для соединения с выходом A₁, A₂, A₃ выбирается посредством присоединенного к выходу A₁, A₂, A₃ элемента 41 коммутации, на котором должен быть выдан средний выходной потенциал.

Этот способ осуществляется циклически в соответствии с частотой настройки блоков 3 регулировки, которая описывает цикл регулировки соответствующего промежуточного напряжения. Частота настройки ориентирована на желаемую пульсацию или точность желаемых выходных напряжений или потенциалов выходных напряжений.

На фиг.3 представлены три выходных напряжения U_out1, U_out2, U_out3, которые должны быть поданы в виде трех повернутых на 120° фазных напряжений. Для генерирования выходных напряжений U_out1, U_out2, U_out3 имеются характеристики отдельных промежуточных напряжений U₁-U₄, которые формируются отдельными блоками 3 регулировки в соответствии с настройкой блока 5 управления согласно вышеупомянутому способу.

При использовании вышеупомянутого способа добиваются максимально хорошего распределения нагрузки на отдельные источники 2 входного напряжения. К тому же, частота включений элементов 41 коммутации невелика, так как включение элементов 41 коммутации, как правило, необходимо лишь при изменении соединения между соответствующим выходом A₁, A₂, A₃ и соответствующими ему максимальным, средним и минимальным выходными потенциалами V_HIGH, V_MID, V_LOW.

Вышеописанный способ соответствует определенной стратегии, при которой с помощью блока 5 управления может приводиться в действие инвертор 1 для получения максимально небольших напряжений в качестве промежуточных напряжений U₁-U₄. Так как ввиду последовательного подключения всех промежуточных напряжений U₁-U₄ через каждый из блоков 3 регулировки протекает одинаковый ток, мощность каждого из источников 2 входного напряжения может, таким образом, удерживаться на максимально небольших значениях, а также нагрузка на отдельные источники 2 входных напряжений может быть распределена максимально равномерно.

Далее не обязательно также прикладывать провод с минимальным промежуточным потенциалом и провод с максимальным промежуточным потенциалом к выходам инвертора. Другие стратегии могут предусматривать, к примеру, генерирование максимально больших промежуточных напряжений U₁-U₄, к примеру, посредством выбора максимально близко расположенных друг к другу проводов 6₀-6₄ промежуточного потенциала для максимального и минимального выходного потенциала. В альтернативном варианте может быть предусмотрено использовать совершенно определенные абсолютные значения в качестве промежуточных напряжений U₁-U₄, к примеру промежуточные напряжения, которые представляют собой предпочтительные рабочие точки схем 3 регулировки или источников 2 входного напряжения.

В частности, посредством короткого замыкания блоков регулировки (промежуточное напряжение = 0 B) со стороны выхода могут быть отключены отдельные источники 2 входного напряжения, если они должны быть заменены или подвергнуты техническому обслуживанию или по ошибке выпали. На работоспособность инвертора 1 не оказывается при этом негативного воздействия, если блок 5 управления учитывает это в своей стратегии управления, к примеру, посредством того, что соответствующее промежуточное напряжение = 0 B жестко задается и вышеуказанный способ производится при подаче соответствующего промежуточного напряжения. Тем самым, возможно и далее использовать инвертор 1 даже при выходе из строя или отключении одного или нескольких источников входного напряжения, без необходимости проведения особых мероприятий. Для этого необходимо предусмотреть лишь провод обратной связи от отдельных источников 2 входного напряжения и от входной стороны блоков 3 регулировки, который подает на блок 5 управления информацию о состоянии источника 2 входного напряжения в данный момент времени или данные по входному напряжению U_IN1-U_IN4 в данный момент времени.

Так как, однако, каждый из блоков 3 регулировки соединен с источником 2 входного напряжения, который представляет собой лишь небольшую часть максимально возможного максимального выходного напряжения, то требования к исполнению блоков 3 регулировки намного ниже, чем в случае с традиционными DC-инверторами.

Вышеописанный способ пригоден, в частности, для того, чтобы в равной мере нагружать источники 2 входного напряжения. Так как все промежуточные напряжения подключены последовательно, через источники 2 входного напряжения протекает одинаковый ток. Часть общей мощности, подаваемой от каждого источника 2 входного напряжения, таким образом, зависит лишь от поданного промежуточного напряжения, то есть, пропорциональна промежуточному напряжению, поданному от соответствующего блока регулировки. Если необходимое выходное напряжение генерируется посредством взаимодействия нескольких источников входного напряжения, что имеет место при вышеописанном способе, то на сегодняшний день предусмотрено инициировать выдачу от каждого соответствующего блока 3 регулировки одинакового напряжения, чтобы таким образом равномерно распределить поданную от источников 2 входного напряжения мощность и добиться равномерного распределения нагрузки. Блок 5 управления может, однако, предусматривать также контроль мощности и таким образом, к примеру, часть мощности в различной мере распределять на различные источники 2 входного напряжения. Посредством этого может быть достигнуто определенное распределение нагрузки. Так, к примеру, может быть предусмотрено, что первый из блоков 3 регулировки подает более высокое промежуточное напряжение, чем второй из блоков 3 регулировки, несмотря на то, что они оба равным образом предусмотрены для подачи выходного напряжения или потенциала выходного напряжения. Соотношение поданных с первого и со второго блоков 3 регулировки промежуточных напряжений соответствует заданному соотношению нагрузок или поданной от соответствующих источников 2 входного напряжения мощности. Таким образом, мощность в данной рабочей точке или в данный момент времени (цикл) может быть распределена различным образом.