СПОСОБ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONVERSION CIRCUIT OPERATION AND DEVICE FOR REALISATION OF THIS METHOD

Область техники
Изобретение относится к области силовой электроники. Оно исходит из способа работы преобразовательной схемы и устройства для его осуществления в соответствии с ограничительными частями независимых пунктов формулы.
Уровень техники
Преобразовательные схемы используются сегодня во многих установках. Особенно легко шкалируемая по напряжению преобразовательная схема описана в WO 2007/023064 А1. Она содержит первую и вторую преобразовательные подсистемы, которые последовательно соединены между собой посредством двух последовательно включенных индуктивностей. Точка соединения последовательно включенных индуктивностей образует выход, например, для электрической нагрузки. Каждая преобразовательная подсистема включает в себя по меньшей мере одну двухполюсную коммутационную ячейку, причем в случае нескольких коммутационных ячеек одной преобразовательной подсистемы они последовательно соединены между собой. 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 аккумулятор энергии.
Для работы преобразовательной схемы 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 преобразовательной подсистемы и вторую управляющую схему для формирования дополнительного управляющего сигнала для управления силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек второй преобразовательной подсистемы.
Обычно преобразовательная схема по WO 2007/023064 А1 работает таким образом, что на выходе вырабатываются чистое переменное напряжение и чистый переменный ток. Расчет емкостных аккумуляторов энергии коммутационных ячеек осуществляется таким образом, что волнистость напряжения в емкостных аккумуляторах остается для данного максимального тока на выходе, а данная частота этого тока остается в пределах заданной ширины полосы колебаний. Если желательна небольшая частота, нежели та, которая была положена в основу расчета, то волнистость напряжения возрастает. Если на выходе должен вырабатываться постоянный ток или переменный ток с постоянной составляющей, то волнистость напряжения возрастает почти до бесконечности. В этом случае емкостные аккумуляторы энергии должны либо запитываться извне, либо выбраны бесконечно большими с тем, чтобы они при работе с постоянным током или с постоянной составляющей на выходе не полностью разряжались или произвольно перезаряжались.
Способ работы преобразовательной схемы по WO 2007/023064 А1, который обеспечивал бы независимый от желаемого тока на выходе, т.е. от его частоты, расчет емкостных аккумуляторов энергии, в настоящее время неизвестен.
th
Далее в DE 102008014989 А1 и WO 2007/033852 А2 раскрыт родовой способ работы преобразовательной схемы. Кроме того, в «Оn Dynamics and Voltage Control of the Multilevel Converter>>, Power Electronics and Applications, 2009, EPE 2009, 13 Conference on IEEE, 18.09.2009 также раскрыт способ работы описанной выше преобразовательной схемы. Также в ЕР 1253706 А описана преобразовательная схема и способ передачи эффективной мощности.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание способа работы преобразовательной схемы, который обеспечивал бы независимый от желаемого тока на выходе преобразовательной схемы, т.е. от его частоты, расчет ее емкостных аккумуляторов энергии. 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 7 формулы соответственно. В зависимых пунктах приведены предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Преобразовательная схема содержит первую и вторую преобразовательные подсистемы, которые последовательно соединены между собой. Точка соединения обеих преобразовательных подсистем образует выход. Каждая преобразовательная подсистема включает в себя индуктивность и по меньшей мере одну включенную последовательно с ней 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 аккумулятор энергии.
Преимущественно число коммутационных ячеек первой преобразовательной подсистемы соответствует числу коммутационных ячеек второй преобразовательной подсистемы. Силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек первой преобразовательной подсистемы управляют посредством управляющего сигнала, а силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек второй преобразовательной подсистемы - посредством дополнительного управляющего сигнала. Согласно изобретению, управляющий сигнал формируется из сигнала напряжения над индуктивностями и коммутационной функции для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек первой преобразовательной подсистемы, а дополнительный управляющий сигнал - из сигнала напряжения над индуктивностями и коммутационной функции для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек второй преобразовательной подсистемы, причем коммутационные функции формируются посредством сигнала напряжения на выходе и выбираемого опорного сигнала, в частности одновременно. Для каждого фазного модуля сигнал напряжения над индуктивностями формируется из сигнала тока преобразовательных подсистем. Кроме того, для каждого фазного модуля сигнал тока преобразовательных подсистем формируется, в свою очередь, из значения амплитуды, а для каждого фазного модуля значение амплитуды сигнала тока формируется из фактического значения тока на выходе и из опорного сигнала. Посредством сигнала напряжения над индуктивностями для формирования управляющего и дополнительного управляющего сигналов и за счет сигнала напряжения на выходе для формирования коммутационных функций можно предпочтительно достичь того, что волнистость напряжения в емкостных аккумуляторах энергии при желаемом токе на выходе преобразовательной схемы можно заметно уменьшить, в результате чего расчет емкостных аккумуляторов энергии приходится осуществлять только в отношении уменьшенной волнистости напряжения, и он, тем самым, не зависит от желаемого выходного тока. В целом, сигнал напряжения над индуктивностями и сигнал напряжения на выходе могут иметь любую временную характеристику. Однако преимущественно сигнал напряжения над индуктивностями и сигнал напряжения на выходе имеют, например, синусообразное колебание.
Предложенное устройство для осуществления способа работы преобразовательной схемы содержит для каждого фазного модуля служащую для формирования управляющего сигнала первую управляющую схему, соединенную с силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек первой преобразовательной подсистемы. Кроме того, устройство содержит служащую для формирования дополнительного управляющего сигнала вторую управляющую схему, соединенную с силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек второй преобразовательной подсистемы. Согласно изобретению для каждого фазного модуля к первой управляющей схеме для формирования управляющего сигнала подается сумма из сигнала напряжения над индуктивностями и коммутационной функции для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек первой преобразовательной подсистемы. Для каждого фазного модуля ко второй управляющей схеме для формирования дополнительного управляющего сигнала подается сумма из сигнала напряжения над индуктивностями и коммутационной функции для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек второй преобразовательной подсистемы. Кроме того, для каждого фазного модуля предусмотрен первый вычислительный блок для расчета коммутационных функций из сигнала напряжения на выходе и выбираемого опорного сигнала, причем сигналы напряжения на выходах фазных модулей выбраны одинаковыми по фазе. Далее для каждого фазного модуля предусмотрен второй вычислительный блок для формирования сигнала напряжения над индуктивностями из упомянутого сигнала тока преобразовательных подсистем. Также для каждого фазного модуля предусмотрены третий вычислительный блок для формирования сигнала тока преобразовательных подсистем из значения его амплитуды и четвертый вычислительный блок для формирования значения амплитуды сигнала тока из фактического значения тока на выходе и из опорного сигнала. Таким образом, предложенное устройство может быть реализовано очень просто и недорого, поскольку схемные затраты могут поддерживаться на крайне низком уровне, а, кроме того, 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 представлены:
- 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 общего выходного тока преобразовательной схемы;
- фиг.4: временная характеристика напряжения на выходе преобразовательной схемы;
фиг.5: временная характеристика токов через первую и вторую преобразовательные подсистемы.
Используемые на чертежах ссылочные позиции и их значение объединены в перечне. В принципе, на чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Описанные варианты являются примерами осуществления изобретения и не являются ограничивающими для изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг.1, как уже упомянуто, изображен вариант устройства для осуществления способа в соответствии с уровнем техники, причем для наглядности изображен только один фазный модуль 11 преобразовательной схемы. На фиг.2 изображен вариант предложенного устройства для осуществления предложенного способа, причем для наглядности также изображен только один фазный модуль 11 преобразовательной схемы. Схема на фиг.2 имеет, в целом по меньшей мере два фазных модуля 11, причем каждый из них включает в себя первую 1 и вторую 2 преобразовательные подсистемы, последовательно соединенные между собой. Точка соединения подсистем 1, 2 образует выход А. Каждая подсистема 1, 2 включает в себя индуктивность L1, L2 и по меньшей мере одну включенную последовательно с ней двухполюсную коммутационную ячейку 3. В случае нескольких коммутационных ячеек 3 в каждой подсистеме 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 включенный параллельно последовательной схеме из силовых полупроводниковых выключателей емкостной аккумулятор энергии. Управляемый силовой полупроводниковый выключатель выполнен, в частности, в виде запираемого тиристора (GTO) 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. Преимущественно число коммутационных ячеек 3 подсистемы 1 соответствует числу коммутационных ячеек 3 подсистемы 2.
L
1
1
1
2
A
u
ref
A
u
L
ref
u
u
Силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек 3 подсистемы 1 управляют посредством управляющего сигнала S1, а силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек 3 подсистемы 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 напряжения на индуктивностях L1, L2 и коммутационной функции α для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек 3 подсистемы 1, в частности из суммы обеих величин, а дополнительный управляющий сигнал S2 - из сигнала Vl напряжения на индуктивностях L1, L2 и коммутационной функции α для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек 3 подсистемы 2, в частности из суммы обеих величин, причем коммутационные функции α, α формируются посредством сигнала V напряжения V на выходе А соответствующего фазного модуля 11 и выбираемого опорного сигнала V, в частности одновременно, причем сигналы V напряжения V на выходах А фазных модулей 11 выбираются одинаковыми по фазе. Сигнал V напряжения на индуктивностях L1, L2 представляет собой заданное значение напряжения на индуктивностях L1, L2. Преимущественно в качестве опорного сигнала V выбирается опорный сигнал напряжения V на выходе А, который формируется за счет регулирования фактического значения тока i на выходе А до заданного значения.
L
A
u
1
2
u
u
Посредством сигнала V напряжения на индуктивностях L1, L2 для формирования управляющего S1 и дополнительного управляющего S2 сигналов и за счет сигнала V напряжения V на выходе А для формирования коммутационных функций α, α, можно предпочтительно достичь существенного уменьшения волнистости напряжения на емкостных аккумуляторах энергии при желаемом токе i на выходе А преобразовательной схемы, благодаря чему расчет емкостных аккумуляторов энергии приходится осуществлять только в отношении уменьшенной волнистости напряжения, и он не зависит тем самым от желаемого выходного тока i.
L
A
u
L
A
В целом сигнал V напряжения на индуктивностях L1, L2 и сигнал V напряжения V на выходе А могут иметь любую временную характеристику. Следовательно, оба сигнала V, V могут иметь вид, например, синусоидального колебания.
A
u
i
i
Целью является, например, то, чтобы за счет мощности, формируемой из величины сигнала V, связанного с напряжением V на выходе, и величины сигнала V тока подсистем 1, 2, компенсировалась нежелательная составляющая на емкостных аккумуляторах энергии коммутационных ячеек 3. Сигнал V тока подсистем 1, 2 представляет собой заданное значение кругового тока, который протекает через подсистемы 1, 2 преобразовательной схемы, но не протекает через выход А. В общем, справедливо следующее:
u
u
C
1
u
x
u1
u
x
u1
x
C,1
u
u1
- Если через фазный выход А течет ток i и на фазном выходе А напряжение V, тогда мощность в емкостных аккумуляторах энергии верхних коммутационных ячеек 3 составляет Р,=(i(t)/2+i(t))·V(t), где i/2 - половина нагрузочного тока, i - подведенный круговой ток (для простоты может быть равен нулю, но необязательно равен нулю), V - ответвленное напряжение на верхних коммутационных ячейках 3. При i=0 это дает мощность P=i(t)/2·V(t).
i
A
u1
- Теперь на фазном выходе А целенаправленно подают упомянутый сигнал V(t) тока подсистем 1, 2 и упомянутый сигнал V(t) напряжения. Указанный сигнал напряжения появляется также в ответвленном напряжении V на верхних коммутационных ячейках 3, так что мощность составляет:
C,1
u
i
u1
A
u
ul
A
i
u1
i
A
P=(i(t)/2+V (t)) (V(t)+V(t))=i(t)/2·V(t)+iu(t)/2·V(t)+V (t) V(t)+V(t)·V(t).
u
u1
i
A
u
A
i
u1
- Предполагается, что компенсируется i(t)/2·V(t), а именно за счет составляющей мощности V(t)-V(t). Дополнительно возникающая мощность i(t)/2-V(t)+V(t)-V(t), как правило, не компенсируется.
u
A
i
u1
i
A
u
u
i
A
- Этот способ имеет смысл, если i(t)/2·V(t)+V(t)·V(t) и некомпенсированная часть мощности V(t)·V(t) содержат соответственно частотные составляющие, для которых соотношение между амплитудой и частотой меньше, чем у частотных составляющих в i(t)·Vi(t), и тем самым меньшее колебание напряжения возникает в емкостном аккумуляторе энергии. Все V(t) и V(t), приводящие к этому результату, могут использоваться в описанном способе.
1
A
u
ref
Согласно изобретению коммутационная функция α для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек 3 подсистемы 1 формируется из сигнала V, связанного с напряжением V на выходе А, и выбираемого опорного сигнала V по следующей формуле:
<mrow><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mi>A</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                  [1]</mtext></mrow>
2
A
u
ref
Коммутационная функция α для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек 3 подсистемы 2 формируется из сигнала V, связанного с напряжением V на выходе А, и выбираемого опорного сигнала V по следующей формуле:
<mrow><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mi>A</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                  [2]</mtext></mrow>
A
u
i
Особенно простой способ возникает тогда, когда выбираются сигнал V, связанный с напряжением V на выходе, и сигнал V тока в виде колебательного сигнала, например синусоидального. Это обстоятельство более подробно описано ниже.
L
i
Согласно изобретению для каждого фазного модуля 11 сигнал V напряжения на индуктивностях L1, L2 формируется из сигнала V тока подсистем 1, 2, как это поясняется следующей формулой:
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>L</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                  [3]</mtext></mrow>
i
h
h
Сигнал V тока подсистем 1, 2 для каждого фазного модуля 11 формируется преимущественно из величины A амплитуды сигнала тока, в частности путем умножения величины А амплитуды сигнала тока на колебание с произвольно выбираемой частотой ω и фазовым сдвигом φ, как это поясняется следующей формулой:
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>h</mi></msub><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                  [4]</mtext></mrow>
h
u
0
u
ref
u
1
2
Величина А в формуле [4] формируется для каждого фазного модуля 11 в общем из фактического значения i тока на выходе А, в частности из постоянной составляющей I тока i на выходе А, из опорного сигнала V, причем фактическое значение i тока, например, измеряется. Ток i через подсистему 1 и ток i через подсистему 2 имеют следующий вид:
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>M</mi><mi>h</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mtext>A</mtext><mtext>h</mtext></msub><mo>⋅</mo><mtext>cos</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mtext>t</mtext><mo>+</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                                 [4</mtext><mtext>.1]</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>M</mi><mi>h</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mtext>A</mtext><mtext>h</mtext></msub><mo>⋅</mo><mtext>cos</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mtext>t</mtext><mo>+</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                               [4</mtext><mtext>.2]</mtext></mrow>
c,1
c,2
Токи i через емкостные аккумуляторы энергии коммутационных ячеек 3 подсистемы 1 и токи i через емкостные аккумуляторы энергии коммутационных ячеек 3 подсистемы 2 имеют тогда следующий вид:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>i</mi><mrow><mi>c</mi><mo>,</mo></mrow></msub><msub><mrow /><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>1</mtext><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>M</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>M</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>  cos</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mtext>t</mtext><mo>+</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext>                -</mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>l</mtext><mtext>0</mtext></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>M</mi><mi>h</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mn>8</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>1</mtext><mo>+</mo><mtext>cos(2</mtext><mo>⋅</mo><mtext>(</mtext><mi>ω</mi><mtext>t</mtext><mo>+</mo><mi>ϕ</mi><mtext>))</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> -</mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>A</mtext><mtext>h</mtext></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>M</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>cos(</mtext><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi><mtext>)(1</mtext><mo>+</mo><mtext>cos(2</mtext><mo>⋅</mo><mtext>(</mtext><mi>ω</mi><mtext>t</mtext><mo>+</mo><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>  </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext>               [4</mtext><mtext>.3]</mtext></mtd></mtr></mtable>
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>i</mi><mrow><mi>c</mi><mo>,</mo></mrow></msub><msub><mrow /><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>1</mtext><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>M</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>M</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>  cos</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mtext>t</mtext><mo>+</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext>                </mtext><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mtext>l</mtext><mtext>0</mtext></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>M</mi><mi>h</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mn>8</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>1</mtext><mo>+</mo><mtext>cos(2</mtext><mo>⋅</mo><mtext>(</mtext><mi>ω</mi><mtext>t</mtext><mo>+</mo><mi>ϕ</mi><mtext>))</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> -</mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>A</mtext><mtext>h</mtext></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>M</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>cos(</mtext><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi><mtext>)(1</mtext><mo>+</mo><mtext>cos(2</mtext><mo>⋅</mo><mtext>(</mtext><mi>ω</mi><mtext>t</mtext><mo>+</mo><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>  </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext>               [4</mtext><mtext>.4]</mtext></mtd></mtr></mtable>
h
Уравнения [4.3], [4.4] содержат постоянные составляющие тока, которые предпочтительно должны взаимно уничтожаться, так что из уравнений [4.3], [4.4] для формирования величины А амплитуды сигнала тока возникает взаимосвязь, выраженная формулой [5.1]:
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>M</mi><mi>h</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>A</mi><mi>h</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>M</mi><mi>h</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext>      [5</mtext><mtext>.1]</mtext></mrow>
и, например, в соответствии с формулой [5.2]:
<mrow><msub><mi>A</mi><mi>h</mi></msub><mo>≡</mo><msub><mtext>M</mtext><mtext>h</mtext></msub><mtext>                                                         [5</mtext><mtext>.2]</mtext></mrow>
u
h
h
h
h
причем Δφ обозначает, в общем, разность фаз между подаваемыми колебаниями и напряжением V на выходе А. Следует указать на то, что отношение A к М в формуле [5.2] приведено лишь в качестве примера, т.е. оно может выбираться произвольно. Для определения величины А амплитуды сигнала тока формула [5.1] должна решаться только после определения значения А.
A
u
h
h
Далее сигнал V напряжения, связанный с V на выходе А, формируется для каждого фазного модуля 11 из значения М амплитуды сигнала напряжения, в частности путем умножения этого значения М на колебание с произвольно выбираемой частотой ω и фазовым сдвигом φ, как это поясняется следующей формулой
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>A</mi></msub><mo>=</mo><msub><mtext>M</mtext><mtext>h</mtext></msub><mo>⋅</mo><mtext>cos</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mtext>t</mtext><mo>+</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                                                     [6]</mtext></mrow>
h
u
ref
h
h
В общем для каждого фазного модуля 11 значение М амплитуды сигнала напряжения формируется из фактического значения i тока на выходе А и опорного сигнала V, причем предпочтительно воспользоваться формулами [5.1], [5.2], а для определения значения М амплитуды сигнала напряжения формула [5.1] должна решаться только после определения значения А.
i
L
A
u
L
A
Для каждого фазного модуля 11 сигнал V тока подсистем 1, 2, сигнал V напряжения на индуктивностях L1, L2 и сигнал V напряжения, связанный с V на выходе А, имеют преимущественно одинаковую частоту ω. Кроме того, для каждого фазного модуля 11 сигналы V и V имеют предпочтительно одинаковый фазовый сдвиг φ, причем одинаковый фазовый сдвиг φ необязателен.
A
u
ug
u
ug
ug
Как уже упомянуто выше, преобразовательная схема содержит по меньшей мере два фазных модуля 11, благодаря чему реализована многофазная преобразовательная схема. За счет выбора синфазных сигналов V, связанных с напряжением V на выходах А фазных модулей 11, предпочтительно можно получать общий выходной ток i, например через подключенную к выходам А многофазную электрическую нагрузку, с «чистой» постоянной составляющей, причем на флуктуации напряжения на емкостных аккумуляторах энергии коммутационных ячеек 3 влияют только подаваемые колебания, что позволяет поддерживать флуктуации напряжения на низком уровне. Подаваемые колебания проявляются в виде синфазного напряжения на многофазной электрической нагрузке. Это синфазное напряжение не создает дополнительных колебаний тока, благодаря чему может обеспечиваться упомянутая постоянная составляющая. Предпочтительно, расчет емкостных аккумуляторов энергии может выполняться для небольших флуктуаций напряжения, т.е. независимо от требующегося выходного тока i. Этот способ применяется, например, при перемодуляции. В отличие от перемодуляции в этом случае частота и фазное положение синфазного напряжения являются произвольными. Тогда, многофазный общий выходной ток i является упомянутым «чистым» постоянным током, т.е. не имеет переменных составляющих. Таким образом, общий выходной ток i имеет вид:
<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>u</mi><mi>g</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mtext>                             [7]</mtext></mrow>
,
0
ug
где I - упомянутая постоянная составляющая. Для наглядности на фиг.3 изображена временная характеристика общего выходного тока i преобразовательной схемы.
u
1
2
1
2
Кроме того, на фиг.4 изображена временная характеристика напряжения V на выходе А преобразовательной схемы. Наконец, на фиг.5 изображены временные характеристики токов i, i, через подсистемы 1, 2, причем токи i, i также содержат постоянную и переменную составляющие с частотой ω, получаемые в результате вышеуказанных приложенных колебаний. Следует также упомянуть, что токи через емкостные аккумуляторы энергии не имеют постоянной составляющей, но имеют переменные составляющие с частотой ω или с двукратной частотой ω вышеуказанных приложенных колебаний.
u
u
u
u
u
u
Если ток i на выходе А должен иметь желательную переменную составляющую i·cos(ωt+φ) с частотой ω и желательный фазовый сдвиг φ, то формула [5.1] преобразуется в следующий вид:
h
h
h
u
причем для определения величины A амплитуды сигнала тока можно снова обратиться к формуле [5.2], а величину A амплитуды сигнала тока и значение M амплитуды сигнала напряжения, как описано выше, можно определить по формулам [8] и [5.2]. Ток i на выходе А определяется тогда желаемым образом по формуле:
L
1
2
1
2
1
2
A
u
ref
А
u
Предложенное устройство на фиг.2 содержит предназначенную для формирования управляющего сигнала S1 первую управляющую схему 4 для каждого фазного модуля 11, которая соединена с силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек 3 первой подсистемы 1. Кроме того, предусмотрена предназначенная для формирования дополнительного управляющего сигнала S2 вторая управляющая схема 5 для каждого фазного модуля 11, которая соединена с силовыми полупроводниковыми выключателями коммутационных ячеек 3 второй подсистемы 2. Согласно изобретению для каждого фазного модуля 11 к управляющей схеме 4 для формирования управляющего сигнала S1 подается сумма из сигнала V напряжения на индуктивностях L1, L2 и коммутационной функции α для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек 3 подсистемы 1. К управляющей схеме 5 для формирования дополнительного управляющего сигнала S2 для каждого фазного модуля 11 подается сумма из сигнала Vl напряжения на индуктивностях L1, L2 и коммутационной функции α для силовых полупроводниковых выключателей коммутационных ячеек 3 подсистемы 2. Для формирования управляющего S1 и дополнительного S2 управляющего сигналов служит, например, справочная таблица (look-up table) в каждой управляющей схеме 4, 5, причем в таблицах за коммутационной функцией α жестко закреплены соответствующие управляющие сигналы S1, а за коммутационной функцией α - 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 α α посредством расчета по формулам (1) и (2) из сигнала V напряжения, связанного с V на выходе А, и выбираемого опорного сигнала V, причем сигналы V напряжения, связанные с V на выходах А фазных модулей, выбираются синфазными.
L
i
L
На фиг.2 для каждого фазного модуля 11 предусмотрен второй вычислительный блок 10 для формирования сигнала V напряжения на индуктивностях L1, L2 из сигнала V тока подсистем 1, 2, причем вычислительный блок 10 формирует сигнал V путем расчета по формуле (3).
i
h
i
Также для каждого фазного модуля 11 предусмотрен третий вычислительный блок 7 для формирования сигнала V тока подсистем 1, 2 из величины А амплитуды сигнала тока, который формирует сигнал V путем расчета по формуле (4).
h
u
ref
h
Кроме того, для каждого фазного модуля 11 предусмотрен четвертый вычислительный блок 9 для формирования величины A, амплитуды сигнала тока из фактического значения i тока на выходе А и из опорного сигнала V, причем вычислительный блок 9 формирует величину А путем расчета по формулам [5.1], [5.2] и [8], [5.2].
A
u
h
A
Предусмотренный для каждого фазного модуля 11 пятый вычислительный блок 8 служит для формирования сигнала V напряжения, связанного с V на выходе А, из значения M амплитуды сигнала напряжения, причем вычислительный блок 8 формирует сигнал V путем расчета по формуле [6].
h
u
ref
h
Четвертый вычислительный блок 9 также служит для формирования значения M амплитуды сигнала напряжения из фактического значения i тока на выходе А и из опорного сигнала V, причем вычислительный блок 9 формирует значение M путем расчета по формулам [5.1], [5.2] и [8], [5.2].
В общем удалось показать, что изображенное, в частности, на фиг.2 предложенное устройство может быть реализовано очень просто и недорого, поскольку схемные затраты крайне малы и к тому же конструкция требует лишь небольшого числа элементов. С помощью этого устройства предложенный способ осуществляется особенно просто.
Перечень ссылочных позиций
1 - первая преобразовательная подсистема
2 - вторая преобразовательная подсистема
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
11 - фазный модуль