ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МНОГОФАЗНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ, В КОТОРОМ ИХ ПРИМЕНЯЮТ
CONVERTER, ELECTRIC MULTIPHASE SYSTEM AND METHOD OF THEIR IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к многоуровневому модульному преобразователю, электрической многофазной системе и способу управления электрической многофазной системой.
Уровень техники
Обычные батареи электропитания, применение которых выходит за пределы мелких электронных изделий, часто изготовлены в виде подключенных блоков из множества отдельных деталей, например, таких как элементы батареи электропитания. На выходе такие батареи электропитания обеспечивают почти исключительно напряжение постоянного тока. В противоположность этому, для большинства нагрузок требуется напряжение переменного тока, например, с профилем гармонического напряжения, имеющим конкретную частоту, амплитуду и фазу. Кроме того, напряжение постоянного тока не является постоянной величиной в состоянии заряда. Для того, чтобы иметь возможность управлять подключенными нагрузками и использовать потребляемую мощность как на пиковом напряжении, так и на напряжении окончания заряда, к нагрузкам необходимо применять сложные схемы питания. Если напряжение, необходимое для нагрузки, сильно отличается от напряжения, предоставленного батареей электропитания, то схема силовой электроники вызывает (результат чего известен как низкий индекс модуляции) высокие потери и высокие искажения в выходном напряжении. Это относится, в частности к приводу электрического транспортного средства, которое при низких скоростях обычно требует напряжения переменного тока с гораздо более низкой амплитудой, чем максимальная амплитуда. Искажения, которые обычно возникают в результате широтно-импульсной модуляции, дополнительно нагружают изоляцию двигателя и, следовательно, влияют на срок службы двигателя. За счет изменения в физической и химической реакции отдельных деталей батареи электропитания, например элементов батареи электропитания, необходимо обеспечить комплексный мониторинг батареи электропитания и, в частности, локальный энергообмен (который известен как управление батареей электропитания) с целью обеспечения равномерного состояния заряда для всех деталей батареи электропитания. Если хотя бы одна деталь батареи электропитания неисправна, например, элемент батареи электропитания, то, как правило, вся батарея электропитания является непригодной для использования. В случае с транспортным средством, следует ожидать полный отказ транспортного средства. Может даже потребоваться принудительное отключение транспортного средства или батареи электропитания, чтобы деталь (детали) неисправной батареи электропитания не перегрелись и не загорелись при дальнейшей нагрузке.
Для электроприводов в транспортных средствах, а также для электроснабжения часто используют системы двухфазного или трехфазного напряжения переменного тока. Для получения напряжения переменного тока, используют инверторы, чтобы получить нужное напряжение переменного тока. Эти системы, то есть источники питания и нагрузки, обычно проектируются либо относительно общей симметричной точки отсчета (система соединения звездой) или дифференцированно по отношению друг к другу (система соединения треугольником). В этом случае возникающие напряжения, как правило, являются приблизительно синусоидальными. Тем не менее, число фаз, в частности, в двигателях, определяет, насколько точно может осуществляться управление циркулирующим полем и, следовательно, крутящим моментом. Искажения, которые производятся железными зубцами статора или ротора электродвигателя, например, могут быть компенсированы только в ограниченной степени. Большее число фаз будет иметь большие преимущества с точки зрения двигателя. Большее число фаз может быть получено с помощью известных инверторов, которые всегда производят напряжение относительно той же точки отсчета, но только с повышенной сложностью.
Как правило, сегодня используются такие трехфазные электродвигатели переменного тока, в которых профиль напряжения на трех обмотках, обычно сдвинут на 120°. В результате, обмотки имеют дифференциальное напряжение по отношению друг к другу. При увеличении количества фаз, представляется возможность уменьшить дифференциальные напряжения.
В US 6657334 описана комбинация инвертора и электрической асинхронной машины, которые имеют более трех фаз. В этом случае асинхронная машина имеет несколько обмоток, при этом у каждой обмотки имеется по два вывода. Каждый вывод обмотки отдельно соединен с различными фазными выводами инвертора. Каждый фазный вывод инвертора подключен к двум выводам двух различных обмоток асинхронной машины в этой схеме. Каждая обмотка таким образом подключена к двум фазным выводам инвертора, чтобы между фазными выводами был идентичный сдвиг фаз.
Раскрытие сущности изобретения
Теперь задачей настоящего изобретения является создание системы, которая может быть использована простым способом, чтобы произвести несколько фаз для электрической машины, обеспечивая соответствующую регулируемую разность напряжения между двумя соответствующими соседними фазными выводами.
Эта задача в изобретении решена посредством многоуровневого модульного преобразователя по пункту 1 изобретения, электрической многофазной системы по пункту 11 изобретения и способа по пункту 13 изобретения. Уточнения получены из описания и зависимых пунктов формулы изобретения.
Соответственно, настоящее изобретение предлагает электрическую многофазную систему, содержащую электрическую машину и многоуровневый модульный преобразователь, в которой электрическая машина имеет несколько обмоток, каждая из которых имеет первый вывод и второй вывод, при этом существует по меньшей мере один узел, к которому электрически подключен либо первый вывод, либо второй вывод соответствующей обмотки из нескольких обмоток, и соответствующий другой вывод из первого вывода и из второго вывода соответствующей обмотки из множества обмоток электрически подключен к фазному выводу, и многоуровневый модульный преобразователь имеет несколько отдельных модулей, которые последовательно подключены, чтобы сформировать кольцо, и по меньшей мере один отвод может быть расположен между двумя соответствующими соседними отдельными модулями и обеспечивать фазный вывод, к которому электрически подключен первый вывод или второй вывод обмотки из нескольких обмоток электрической машины, при этом число отводов многоуровневого модульного преобразователя соответствует точно числу обмоток из нескольких обмоток электрической машины, и при этом каждый отдельный модуль многоуровневого модульного преобразователя имеет накопитель энергии и несколько переключающих элементов, которые позволяют подключение накопителей энергии соседних отдельных модулей, в результате чего разность напряжения, которую регулирует блок управления в соответствии с профилем многофазного вращающегося поля, может быть обеспечена между двумя соседними фазными выводами или двумя соседними обмотками.
Дополнительно, настоящее изобретение предлагает многоуровневый модульный преобразователь с несколькими отдельными модулями, каждый из которых имеет несколько переключающих элементов и по меньшей мере один накопитель электрической энергии, при этом отдельные модули подключены последовательно, чтобы формировать замкнутое кольцо.
Задача решена посредством электрической машины, объединенной с многоуровневым модульным преобразователем, при этом макротопология многоуровневого модульного преобразователя представляет контур, то есть отдельные модули многоуровневого модульного преобразователя, которые подключены друг к другу для образования контура. За счет добавления отвода между двумя соседними отдельными модулями, обеспечивается возможность создать новые фазные выводы, к которым можно подключить обмотки электрической машины. Следовательно, подобным образом можно увеличить число фаз или количество обмоток электрической машины, так как теперь доступно больше фазных выводов. Преимуществом многофазного двигателя является пониженная пульсация крутящего момента. Кроме того, циркулирующим полем переменного тока или вращающимся полем, созданным таким способом, можно управлять более точно, что также приводит к более точному управлению соответствующим двигателем. Кроме того, повышается надежность системы при отказе отдельных элементов и может быть обеспечена надежность аварийного режима, который позволит вернуться домой или доехать до мастерской на транспортном средстве. Например, если отдельная фаза полностью отказала, это не приведет автоматически к полному отказу системы. Пульсация в крутящем моменте также увеличивается лишь незначительно, а оставшаяся мощность двигателя практически не затронута.
В одном варианте осуществления многоуровневого модульного преобразователя согласно изобретению, по меньшей мере один отвод расположен между двумя соответствующими соседними отдельными модулями и обеспечивает фазный вывод, при этом по меньшей мере два отдельных модуля, которые формируют фазный модуль, расположены между двумя соседними отводами.
В другом варианте осуществления многоуровневого модульного преобразователя согласно изобретению отдельные модули содержат первую сторону и вторую сторону, при этом первая сторона содержит два вывода и вторая сторона содержит два вывода.
В еще одном варианте осуществления многоуровневого модульного преобразователя согласно изобретению все отдельные модули электрически подключены друг к другу с помощью двух электрических проводников.
В одном варианте осуществления многоуровневого модульного преобразователя согласно изобретению отвод для обеспечения фазного вывода расположен на одном из двух электрических проводников.
В другом варианте осуществления многоуровневого модульного преобразователя согласно изобретению отвод для обеспечения фазного вывода расположен на обоих электрических проводниках.
В еще одном варианте осуществления многоуровневого модульного преобразователя согласно изобретению многоуровневый модульный преобразователь имеет фазный модуль, содержащий по меньшей мере два отдельных модуля, который ответвлен от схемы кольца и у которого один конец соединен с отводом, а другой конец соединен с опорным потенциалом.
В одном варианте осуществления электрического многоуровневого модульного преобразователя согласно изобретению по меньшей мере один отвод соединен с опорным потенциалом посредством электрического соединения, которое имеет по меньшей мере одно электрическое сопротивление и/или индуктивность.
В другом варианте осуществления многоуровневого модульного преобразователя согласно изобретению каждый из нескольких отводов соединен с опорным потенциалом посредством одного электрического соединения, которое имеет по меньшей мере одно электрическое сопротивление и/или индуктивность, при этом несколько отводов симметрично разделяют кольцо отдельных модулей.
В еще одном варианте осуществления многоуровневого модульного преобразователя согласно изобретению переключающие элементы нескольких отдельных модулей представляют собой переключающие полупроводниковые элементы низкого напряжения.
В одном варианте осуществления электрической многофазной системы согласно изобретению электрическая машина выполняет функции генератора.
В другом варианте осуществления электрической многофазной системы согласно изобретению электрическая машина выполняет функции двигателя.
Дополнительно, настоящее изобретение предлагает способ, согласно настоящему изобретению, управления электрической многофазной системой, в котором применяют электрическую машину и многоуровневый модульный преобразователь, при этом электрическая машина имеет несколько обмоток, содержащих первый вывод и второй вывод, при этом к узлу подключен либо первый вывод, либо второй вывод соответствующей обмотки из множества обмоток, и соответствующий другой вывод из первого и второго вывода соответствующей обмотки из множества обмоток подключен к фазному выводу, и при этом многоуровневый модульный преобразователь имеет несколько отдельных модулей, которые последовательно подключены, чтобы сформировать кольцо, при этом по меньшей мере один отвод расположен между двумя соответствующими соседними отдельными модулями и обеспечивает фазный вывод, к которому электрически подключен первый или второй вывод обмотки из множества обмоток электрической машины, при этом каждый отдельный модуль многоуровневого модульного преобразователя содержит накопитель энергии и несколько переключающих элементов, которые позволяют подключение накопителей энергии соседних отдельных модулей, в результате чего разность напряжения, которую регулирует блок управления в соответствии с профилем многофазного вращающегося поля, обеспечивается между двумя соседними фазными выводами или двумя соседними обмотками.
В одном варианте осуществления способа согласно изобретению по меньшей мере два отдельных модуля, которые формируют фазный модуль, расположены между двумя отводами.
В другом варианте осуществления способа согласно изобретению используемые отдельные модули представляют собой отдельные модули, которые содержат первую сторону и вторую сторону, при этом первая сторона содержит два вывода и вторая сторона содержит два вывода.
В еще одном варианте осуществления способа согласно изобретению все отдельные модули электрически подключены друг к другу с помощью двух электрических проводников.
В одном варианте осуществления способа согласно изобретению для обеспечения фазного вывода отвод расположен на одном из двух электрических проводников.
В другом варианте осуществления способа согласно изобретению отвод для обеспечения фазного вывода расположен на обоих электрических проводниках.
В еще одном варианте осуществления способа согласно изобретению преобразователь имеет фазный модуль, расположенный на нем, который ответвлен от схемы кольца, и у которого один конец соединен с отводом, а другой конец соединен с опорным потенциалом.
В одном варианте осуществления способа согласно изобретению по меньшей мере один отвод соединен с опорным потенциалом посредством электрического соединения, которое имеет по меньшей мере одно электрическое сопротивление и/или индуктивность.
В другом варианте осуществления способа согласно изобретению несколько отводов соединены с опорным потенциалом посредством электрического соединения, которое имеет по меньшей мере одно электрическое сопротивление и/или индуктивность, при этом несколько отводов симметрично разделяют кольцо отдельных модулей.
В еще одном варианте осуществления способа согласно изобретению используемые переключающие элементы из нескольких отдельных модулей представляют собой низковольтные переключающие полупроводниковые элементы.
В одном варианте осуществления способа согласно изобретению электрическая машина выполняет функции генератора.
В другом варианте осуществления способа согласно изобретению электрическая машина выполняет функции двигателя.
Дальнейшие преимущества и улучшения изобретения получены из описания и сопроводительных графических материалов.
Излишне говорить, что признаки, приведенные выше, и которые еще будут объяснены ниже, могут использоваться не только в соответственно указанном сочетании, но также и в других сочетаниях или отдельно друг от друга без выхода за пределы объема настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Изобретение схематически изображено на графическом материале на основании вариантов осуществления и описано схематически и подробно со ссылкой на графический материал.
На фиг. 1 показан схематический вид макротопологии, примерно иллюстрирующей изобретение и использование в изобретении многоуровневого модульного преобразователя, в котором отдельные модули соединены друг с другом, чтобы сформировать кольцо.
На фиг. 2 показан схематический вид дополнительной макротопологии, примерно иллюстрирующей изобретение и использование в изобретении многоуровневого модульного преобразователя, который имеет дополнительный фазный модуль.
На фиг. 3 показан вариант осуществления примерного отдельного модуля для применения в многоуровневом модульном преобразователе, показанном на фиг. 1 или фиг. 2.
На фиг. 4 показана схема, изображающая формирование дифференциального напряжения с помощью векторов.
На фиг. 5 показан график, иллюстрирующий влияние увеличения числа фаз на напряжение фазы.
На фиг. 6 показан график, иллюстрирующий влияние на различные параметры, когда число фаз увеличено.
Осуществление изобретения
Электрические транспортные средства, известные из уровня техники обеспечивают напряжение переменного тока, которое необходимо для работы электродвигателя, с помощью инверторов, которые преобразуют напряжение постоянного тока, обеспечиваемое источником напряжения постоянного тока, в требуемое напряжение переменного тока. Часто, переменный трехфазный ток необходим для электродвигателей, то есть электродвигатель имеет три обмотки, при этом профиль соответствующих напряжений на отдельных обмотках сдвинут по фазе на 120°, когда обмотки расположены с равномерными интервалами по окружности.
В соответствии с настоящим изобретением число фаз электрической машины увеличивается с увеличением числа обмоток электрической машины. В зависимости от того, на сколько фаз рассчитана электрическая машина, электрическая машина имеет соответствующее количество обмоток. Каждая обмотка таким образом связана с одной фазой. Множество обмоток обычно предназначены для равномерного распределения по окружности круга, что обеспечивает одинаковый фазный угол между профилями напряжений отдельных обмоток.
Обмотки могут быть соединены друг с другом различными способами. Одним из вариантов является то, что известно как схема соединения звездой. В схеме соединения звездой один вывод каждой отдельной обмотки электрически подключен к общему узлу всех обмоток, известному как нулевая точка. Когда обмотки равномерно распределены по кругу, напряжение на нулевой точке равняется нулю, это означает, что нулевой провод имеет возможность подключения к нулевой точке. Соответствующий другой вывод обмотки подключен к фазному выводу и имеет напряжение, которое увеличено по сравнению с нулевой точкой.
Фазный вывод обеспечивается преобразователем. На фиг. 1 показана схема электрических соединений преобразователя 10 согласно изобретению, который известен, как многоуровневый модульный преобразователь 10. Многоуровневый модульный преобразователь 10 согласно изобретению содержит несколько отдельных модулей 12. Отдельные модули 12 могут сами по себе иметь произвольную топологию, известную как микротопология, каждая из которых обычно состоит из нескольких переключающих элементов и по меньшей мере одного накопителя электрической энергии, например, конденсатора или элемента батареи электропитания.
Примерный отдельный модуль 300 показан на фиг. 3. Примерный отдельный модуль 300 имеет две стороны, каждая из которых содержит два вывода. На первой стороне расположены выводы 314а и 314b. На второй стороне расположены выводы 318а и 318b. В варианте осуществления показано, что примерный отдельный модуль 300 содержит восемь переключающих элементов 316-1, 316-2, 316-3, 316-4, 316-5, 316-6, 316-7, 316-8. Поэтому для электрического соединения выводов 314а, 314b с выводами 318а, 318b, два соответствующих пути нагружения доступны для каждого соединения, а именно 314а-318а, 314a-318b, 314b-318а и 314b-318b. Это позволяет спроектировать переключающие элементы 316-1 - 316-8 на более низкую допустимую нагрузку по току. Поэтому также возможно использовать низковольтные переключающие элементы или низковольтные переключающие полупроводниковые элементы в качестве переключающих элементов, потому что максимальное напряжение, для которого переключающие элементы 316-1-316-8 должны быть спроектированы, значительно ниже общего напряжения системы, то есть только при максимальном напряжении накопителя 312 электрической энергии отдельного модуля, с которым переключающие элементы 316-1-316-8 связаны, например. Накопитель 312 электрической энергии может представлять собой конденсатор любого типа или отдельный элемент батареи электропитания любого типа или несколько элементов батареи электропитания (например, портативную батарею электропитания). Следует понимать, что используемая батарея электропитания может быть, например, первичными элементами батареи электропитания, вторичными элементами батареи электропитания или источниками энергии и накопителями энергии, которые просто обеспечивают напряжение постоянного тока.
Переключающие элементы, показанные на фиг. 3, обеспечивают два параллельных пути для почти всех соединений между накопителем 312 энергии и соответствующим накопителем энергии соседнего отдельного модуля такого же типа. Переключающие элементы в соответствующих случаях используются параллельно. Однако переключающие элементы могут быть исключены с целью снижения уровня сложности. Однако, если используются переключающие полупроводниковые элементы с целью обеспечить такую же допустимую нагрузку по току, оставшиеся переключающие элементы в этом случае должны быть реализованы с соответственно большими полупроводниками. Соответствующий выбор полупроводников позволяет оптимизировать определенные режимы переключений с точки зрения их потерь по сравнению с другими.
По этой причине переключающие элементы 316-1 и 316-2 образуют путь, параллельный пути, образованному переключающими элементами 316-3 и 316-4, который приводит к тому же месту назначения, т.е. к выводу 314а или к выводу 318а, в зависимости от направления. Переключающие элементы 316-5 и 316-4 образуют путь, который приводит к тому же месту назначения, что и путь, образованный переключающими элементами 316-7 и 316-2, т.е. к выводу 314b или к выводу 318а, в зависимости от направления. Переключающие элементы 316-1 и 316-8 образуют путь, который приводит к тому же месту назначения, что и путь, образованный переключающими элементами 316-3 и 316-6. Кроме того, переключающие элементы 316-7 и 316-8 образуют путь, параллельный пути, образованному переключающими элементами 316-5 и 316-6, который приводит к тому же месту назначения, т.е. к выводу 314b или к выводу 318b, в зависимости от направления.
Исключение в таком случае подразумевает удаление произвольного переключающего элемента. Однако второй переключающий элемент, подлежащий исключению, должен быть выбран так, чтобы соединение могло быть выполнено от любого вывода к любому другому выводу посредством оставшихся переключающих элементов. Это приводит к ряду сокращенных схем.
Следует понимать, что не только показанный примерный отдельный модуль 300 может быть использован в качестве отдельного модуля 12 многоуровневого модульного преобразователя 10, но скорее отдельные модули 12 могут иметь любую необходимую топологию, известную из уровня техники.
Многоуровневые модульные преобразователи 10, оснащенные отдельным модулем 12, 300, ранее могли быть использованы для разделения подключенных батарей электропитания на отдельные детали или отдельные модули 12, 300, так чтобы электрическое взаимосоединение отдельных деталей 12, 300, иными словами накопителей энергии соседних отдельных модулей, могло быть динамически изменено во время работы. Накопители энергии соседних отдельных модулей могут переключаться между параллельным соединением, последовательным соединением, обходным соединением и отключением отдельного или нескольких отдельных модулей. Это позволяет осуществлять энергообмен между отдельными модулями или накопителями энергии, которые будут использоваться для традиционного управления батареей электропитания, например, с целью равномерно нагрузить накопители энергии. Кроме того, неисправные отдельные модули 12 могут быть обойдены без потери всей работоспособности. В частности, произвольные выходные напряжения и временные профили тока и напряжения на выводах, например, 314а, 314b, 318а, 318b могут быть выполнены непосредственно отдельными модулями, не требуя дополнительного преобразователя силовой электроники.
Как можно увидеть на фиг. 1, отдельные модули 12 имеют свои выводы, такие как выводы 314а, 314b, 318а, 318b отдельного модуля по фиг. 3, например, электрически подключенного к соседнему отдельному модулю 12 посредством двух электрических проводников 16 и 18. Согласно изобретению, отдельные модули 12 расположены в контуре, так чтобы n-ый отдельный модуль 12 был электрически подключен к первому отдельному модулю 12. Чтобы обеспечить возможность отведения профилей тока и напряжения, производимых отдельными модулями 12, два соседних отдельных модуля 12 имеют отвод 14, расположенный между ними, что обеспечивает фазный вывод для второго вывода обмотки электрической машины. Изначально на фиг. 1 показаны три таких отвода 14. Простое добавление дополнительного отвода 14* позволяет обеспечить дополнительный фазный вывод, как показано стрелкой на фиг. 1. Такой преобразователь или многоуровневый модульный преобразователь 10 с отдельными модулями 10, расположенный в контуре, теперь может быть оснащен произвольным количеством фазных выводов (в зависимости от того, сколько имеется отдельных модулей 12, количество которых, однако, может быть также увеличено произвольно) простым способом. Выводы 14 могут быть выполнены различными способами. Например, вывод 14а может как содержать электрические проводники 16, 18, так и быть подключенным к ним с помощью двух электрических проводников 16, 18, собранных вместе. Однако это означает, что параллельное соединение соседних накопителей энергии отдельных модулей невозможно. Альтернативно, было бы возможно реализовать вывод 14b, который подключен только к одному электрическому проводнику 16 или 18. Однако это означает, что нагрузка по току для переключающих элементов, которые служат соответствующей электрической линией, больше. Между двумя отводами 14 соответствующие отдельные модули образуют фазный модуль 20.
Такая компоновка отдельных модулей 12 в многоуровневом модульном преобразователе 10 означает, что динамическая реконфигурация может непосредственно производить напряжение переменного тока и многофазное напряжение для одной или более нагрузок, таких как электрическая машина, которая выполняет функции двигателя, например. По сравнению с преобразователями из известного уровня техники, обеспечена возможность удержания индекса модуляции, т.е. характеристического значения для соответствующей частотной модуляции, на максимуме для всех амплитуд. Кроме того, при низких напряжениях даже снижаются потери, потому что параллельное соединение частей батареи (иными словами соответствующих накопителей энергии) подключенной батареи электропитания означает, что эффективное внутреннее сопротивление снижено. Кроме того подключенная батарея электропитания, в которой накопители энергии можно переключать в положения «к» и «от» между параллельным соединением и последовательным соединением, производит выходное напряжение почти без искажения, поскольку скачки между напряжениями двух конфигураций могут быть очень маленькими. Кроме того модуляция переключения может быть использована для модуляции между такими напряжениями с целью обеспечить дальнейшее сглаживание.
Согласно изобретению многофазная система может быть использована согласно изобретению для увеличения числа фаз обычным способом. Так реализуется подключение обмоток электрической машины, известное, как схема соединения звездой и управление многоуровневым модульным преобразователем 10 как n-угольной схемой или кольцевой схемой. В таком случае, вывод обмоток электрической машины электрически подключен к соответствующему фазному выводу 14 многоуровневого преобразователя 10. На фигуре 4 показано схематическое представление задействованных напряжений, при этом мнимая часть 38 отображена по оси ординат и действительная часть 40 напряжений отображена по оси абсцисс. На рисунке 4 напряжение, присутствующее на обмотке электрической машины, обозначено позицией 42, и напряжение, подаваемое на фазный вывод 14, отмечено позицией 44. В известном уровне техники электрическая машина всегда работает относительно нулевой точки 43, что означает, что всегда есть большая разность напряжения между напряжением 42 на обмотке и нулевой точкой 43. Дополнительно, профиль напряжений на различных обмотках сдвинут по фазе, в случае трехфазной системы на фазный угол 46, равный 120°, что означает, что разность напряжения между двумя обмотками может также быть больше. Многофазная система согласно изобретению, в частности, в результате использования многоуровневого модульного преобразователя 10 с отдельными модулями 12, расположенными в кольце, теперь может быть использована для непосредственного представления и обеспечения разности напряжения между двумя соседними фазными секциями или обмотками электрической машины. Если число фаз увеличивается, тогда напряжение 42 на обмотках остается постоянным, но фазное напряжение 44 линейно падает. В стандартных силовых электрических цепях такая корреляция была неуместна, так как инверторы известного уровня техники всегда создают соответствующие фазные напряжения относительно опорного потенциала, например выводов конденсатора постоянного тока, и не могут образовывать разность напряжений между двумя обмотками. Однако разность напряжений может быть создана непосредственно многоуровневым модульным преобразователем 10. Использование n-фазной системы, то есть системы с большим (более 3) числом фаз (особенно в случае с электрической машиной), в которой нагрузка (электрическая машина) и источник (многоуровневый модульный преобразователь) подключены по-разному (электрическая машина в схема соединения звездой, а многоуровневый модульный преобразователь в n-угольной или кольцевой схеме), позволяет создавать дополнительные фазы при сверхнизком напряжении. Сверхнизкое напряжение может быть создано с использованием небольшого числа отдельных модулей 12 в фазном модуле 20. Обычно фазный модуль 20 содержит по меньшей мере два отдельных модуля 12.
Если многоуровневый модульный преобразователь 10 содержит три фазных вывода 14, например, тогда преобразователь работает в известной схеме соединения треугольником. Сложность добавления дополнительной фазы заключается лишь в добавлении дополнительного отвода 14. В таком случае нагрузка по току на отдельные модули 12 остается постоянной в первом приближении, когда мощность привода является одинаковой. В то же время, однако, среднее значение силы тока на фазу электрической машины падает линейно и обратно пропорционально числу фаз. Поскольку разница напряжений между обмотками теперь обеспечивается непосредственно преобразователем 10, напряжение на обмотке теперь больше не относится к нулевой точке 43, а скорее относится к соседней обмотке. Нулевая точка 43, таким образом, является степенью свободы в алгоритме управления с замкнутым контуром и может быть реализована в качестве второстепенного условия в алгоритме управления с замкнутым контуром преобразователя.
В результате увеличения числа фаз, фазное напряжение в преобразователе уменьшается, как уже упоминалось. На фиг. 5 показан схематический профиль снижения фазного напряжения. Фазное напряжение 26 показано вдоль оси ординат, а число 24 фаз показано по оси абсцисс. На кривой четко видно, что с увеличением числа 24 фаз фазное напряжение 26 постоянно снижается. Это позволяет осуществлять очень точное управление магнитной индукцией в электрической машине. В этом случае управление может осуществляться посредством гармоник или посредством профиля крутящего момента. В случае если контроль осуществляется с помощью профиля крутящего момента, это также обеспечивает возможность устранить вибрации в машине.
Более высокое качество формы волны многофазной системы с многоуровневым модульным преобразователем означает, что больше нет резких границ напряжения, которые являются привычными для традиционных преобразователей для привода вследствие быстрого переключения между максимальными уровнями. Такие резкие границы, которые теперь исчезают, являются основной причиной для разрушения изоляции, что, однако, приводит к старению электрических машин. Сниженная теперь нагрузка на изоляцию означает, что напряжение может быть увеличено при той же изоляции, в результате чего, во-первых, плотность мощности двигателя и, во-вторых, срок службы, например, увеличиваются.
Кроме того, можно избежать ослабления поля двигателя или сместить его диапазон к более высоким скоростям. Диапазон ослабления поля представляет собой диапазон, в котором увеличение частоты выходного напряжения не увеличивает скорость двигателя. Возможность избежать дополнительного тока при ослаблении поля значительно повышает эффективность всей системы в широких рабочих диапазонах и понижает стабильность управления с замкнутым контуром.
На фиг. 6 схематически показано влияние на другие параметры, когда число 28 фаз увеличено. Число 28 фаз выражено вдоль оси абсцисс. В этом случае ось ординат показывает не абсолютные значения, а скорее значения, приведенные к соответствующему эталонному значению, так что представлены только коэффициенты. Кривая 30 показывает профиль дифференциального напряжения между соответствующими соседними фазами. На ней четко видно, что, когда число 28 фаз увеличивается, фазное напряжение 26 постоянно снижается. Кривая 32 описывает число фазных модулей, условно обозначенных 20 на фиг. 1 и 2, которые используются, когда число 28 фаз увеличивается. Кривая 34 описывает ток на фазу двигателя, то есть обмотки, когда число 28 фаз увеличено. В этом случае видно, что ток сначала сильно уменьшается, когда число 28 фаз увеличивается, и едва заметно уменьшается далее в случае увеличения, когда присутствует большое число 28 фаз. Это же относится и к току на отдельный модуль, условно обозначенному 12 на фиг. 1 и 2, который показан на кривой 36. В таком случае видно, что ток на модуль достигает предельного значения.
На фиг. 2 показан дополнительный вариант осуществления многоуровневого модульного преобразователя 10' для использования в многофазной системе согласно изобретению. В таком случае многоуровневый модульный преобразователь 10' содержит дополнительный фазный модуль 22. Дополнительный фазный модуль 22 содержит по меньшей мере два отдельных модуля 12. Дополнительный фазный модуль 22 подключен к отводу 14 и активно обеспечивает опорное напряжение точке отсчета или опорному потенциалу 24. Это служит для того, чтобы гарантировать, что система высокого напряжения в транспортном средстве находится под нулевым потенциалом. Обычно системы высокого напряжения в транспортных средствах находятся под нулевым потенциалом, т.е. с изоляцией постоянного тока, например, от кузова транспортного средства и также от всех других низковольтных компонентов, конструкции. Нулевой потенциал увеличивает защиту в случае отказа. Если произвольный проводник из высоковольтной системы будет затронут напрямую или опосредованно, например, подключен к кузову, то не произойдет протекание электротока. Если многоуровневый модульный преобразователь 10', который согласно изобретению, выполняет функции гибкой многофазной батареи электропитания, подключен к одной или более нагрузкам, например, электрической машине, при получении нулевого потенциала может понадобиться создание виртуальной нулевой точки с помощью подходящего регулирования фазных токов в отношении друг друга. Если необходимо создать фиксированный опорный потенциал, тогда это можно выполнить по меньшей мере двумя способами. Первый: одна или более точек, разделяющие кольцо наиболее симметрично, могут быть подключены к соответствующему опорному потенциалу через полные сопротивления (резисторы, индуктивности и соответствующие индуктивные/резистивные элементы). В таком случае выбор полного сопротивления представляет собой компромисс между потерями мощности в результате протекания электротока через полные сопротивления и чрезмерным сдвигом относительно опорного потенциала. Вместо пассивных элементов такого рода, как полные сопротивления, подобным образом обеспечивается возможность для дополнительного фазного модуля 22, как упомянуто, обеспечить опорное напряжение опорному потенциалу 24. На фиг. 2 опорный потенциал 24 представляет собой заземление. Однако, подобным образом, возможен любой другой необходимый опорный потенциал. По сравнению с альтернативным вариантом с полными сопротивлениями, фазным модулям 22 обеспечивается возможность предоставить высокие токи выравнивания с целью предотвратить большой сдвиг относительно опорного потенциала.
Кроме того, вариант осуществления многоуровневого модульного преобразователя 10', показанный на фиг. 2, содержит несколько отдельных модулей 12, которые подключены друг к другу, чтобы сформировать кольцо. В таком случае отдельные модули 12 подключены друг к другу посредством двух электрических проводников 16, 18. По меньшей мере два отдельных модуля 12 формируют фазный модуль. Между двумя соседними отдельными модулями 12 расположены отводы 14 с целью создать фазный вывод. В таком случае оба электрических проводника 16, 18 могут быть собраны вместе с целью создать вывод 14а. Альтернативно, вывод 14b расположен лишь на одном электрическом проводнике 16, 18.
Многофазная система согласно изобретению может быть использована в качестве защитной меры для охвата всех трех типичных случаев повреждения фазы в электрических машинах. Во-первых, можно избежать нарушений изоляции, которые приводят к более или менее токопроводному соединению двух фаз. В этом ключе многоуровневый модульный преобразователь может, во-первых, эффективно отключать соответствующие фазы посредством регулировки тока в этих фазах до нуля (в качестве второстепенного условия управления с замкнутым контуром) с помощью подходящих профилей напряжения. Во-вторых, многоуровневый модульный преобразователь может, с учетом достаточной информации о расположении межфазного короткого замыкания, контролировать или регулировать напряжение между двумя нежелательно соединенными точками двух фаз и, следовательно, протекание тока между двумя фазами до нуля. Такое предотвращение протекания тока посредством межфазного короткого замыкания может предотвратить только умеренное токопроводное соединение от нагрева. Если две точки соединения межфазного короткого замыкания разделяют соответствующие фазы в том же диапазоне, тогда решение заключается в четкой параллельной работе двух фаз.
Кроме того, нарушений изоляции в пределах фазы, которые приводят к токопроводному соединению между различными витками можно избежать, так чтобы часть тока не протекала через весь виток, а «шла кратчайшим путем». Кроме того, можно избежать потери фазы, например, вследствие перегоревшего или разорванного соединения или окисленной точки соединения. Для двух последних нарушений затронутые фазы могут быть отключены путем минимизации или регулирования в нуль тока в этих фазах или напряжения для обычно не доступной напрямую нулевой точки.
Чем выше число фаз во многофазной системе, тем больше остаточной мощности и тем меньше пульсации крутящего момента способна обеспечить электрическая машина в случае выхода из строя отдельной фазы. Как результат электрическая машина работает более равномерно. Электрическая машина может справляться по меньшей мере с таким количеством отключений фаз, которое предполагает, что остается по меньшей мере одна функционирующая фаза в каждом секторе 120°. В таком случае, также в целом должна быть предусмотрена возможность запуска электрической машины.
π
Пульсация крутящего момента и неравномерный крутящий момент основаны на гармониках, которые создаются в высокой степени обычными электрическими машинами и их обычными инверторами. На машине они вызваны противоположными напряжениями, которые не индуцированы идеально синусоидально. В случае со статором электрической машины причинами являются определенные полюса и краевые эффекты полюсного наконечника. В случае с ротором причинами являются пространственная протяженность полюса, влияния насыщения, воздушные карманы и механические конструкции, обеспечивающие прочность, так что противоположные напряжения не индуцированы идеально синусоидально. Что касается инвертора, причинами являются переключение между несколькими фиксированными уровнями напряжения с помощью модуляции переключения, такой как широтно-импульсная модуляция, селективная фазовая модуляция, блокирование переключения и т.д. Много фаз многофазной системы согласно изобретению позволяют, однако, осуществлять очень точное пространственное управление магнитным полем в воздушном зазоре, почти на любой точке от 0 до 2. Высокий динамический диапазон многофазной системы за счет многоуровневого преобразователя, который приблизительно такой же, как и динамический диапазон суммы всех отдельных модулей, в дальнейшем позволяет осуществлять очень точное управление временного профиля магнитного поля в воздушном зазоре. Это позволяет осуществлять точное управление полевыми условиями в любом месте в воздушном зазоре в любое время с динамическим диапазоном на неизвестных ранее уровнях. Кроме того, существует возможность производить гармоники для ротора во время холостого хода в обмотке статора с очень высокой точностью с целью компенсировать пульсацию крутящего момента или колебания. Точное производство пространственного (за счет многих фаз) и временного (за счет непревзойденно высокого динамического диапазона многоуровневого преобразователя) профиля поля позволяет также использовать уменьшение пульсации крутящего момента в качестве регуляторной цели для алгоритма управления с замкнутым контуром.
Потери в железе образуют вторую по значимости категорию потерь в большинстве электрических машин, кроме потерь в меди (резистивных потерь в линии в обмотках). Уровень потерь в железе возрастает с частотой магнитного поля, которое проникает в соответствующее местоположение в железе. Помимо снижения пульсации крутящего момента, также существует возможность при заданной скорости выполнить минимизацию особенно в компонентах железа, имеющих самые высокие напряженности поля магнитных полей вследствие соответствующих искажений (как следствие этого отклонение от синусоидального текущего профиля) токов в отдельных фазах, так что в этих компонентах железа возникают небольшие потери в железе.
Кроме того, следует упомянуть о том, что также возможно управлять электрической многофазной системой, в которой обмотки электрической машины подключены друг к другу, чтобы сформировать кольцо (иными словами, чтобы сформировать n-угольную схему), и фазные модули 20 многоуровневого модульного преобразователя 10, 10' подключены, чтобы сформировать схему соединения звездой. Таким образом, многоуровневый модульный преобразователь 10, 10' обеспечивает полное напряжение фазных модулей, при этом нулевая точка остается фиксированной. Обмотки электрической машины теперь показывают только разницу напряжения относительно соседней обмотки и могут таким образом обеспечивать меньшие габариты. Таким образом, токи в обмотках могут протекать в контуре, в результате чего профиль времени для токов кольца также может быть включен в управление с замкнутым контуром в качестве второстепенного условия. Также возможно создавать различные уровни токов в контуре.