МАТРИЧНЫЙ ИНВЕРТОР И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ВО ВТОРОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ИЗ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ МАТРИЧНОГО ИНВЕРТОРА
MATRIX INVERTER AND METHOD OF GENERATING AC VOLTAGE IN SECOND AC VOLTAGE NETWORK FROM AC VOLTAGE IN FIRST AC VOLTAGE NETWORK USING MATRIX INVERTER

Изобретение относится к матричному инвертору, который с одной стороны соединен с первой многофазной сетью переменного напряжения, а с другой стороны соединен со второй многофазной сетью переменного напряжения, с соответственно связанными с первой сетью переменного напряжения первыми индуктивными схемными элементами и соответственно связанными со второй сетью переменного напряжения вторыми индуктивными схемными элементами, с переключательной матрицей, которая соединяет противоположные первой сети переменного напряжения концы первых индуктивных элементов с противоположными второй сети переменного напряжения концами вторых индуктивных схемных элементов, причем переключательная матрица состоит из управляемых инверторных блоков, и с устройством регулирования, соединенным с управляющими входами управляемых инверторных блоков, причем устройство регулирования нагружается измеренными величинами тока и напряжения первой и второй сети переменного напряжения.
Подобный матричный инвертор описан в патенте США 6900998 В2. В этом известном матричном инверторе концы первых индуктивных схемных элементов, противоположные первой многофазной сети переменного напряжения, через соответствующий инверторный блок в форме многоуровневого переключающего компонента соединены со всеми концами вторых индуктивных схемных элементов, противоположными вторым выводам, для чего в трехфазных сетях переменного напряжения требуется всего девять инверторных блоков. Устройство регулирования известного матричного инвертора нагружается измеренными величинами тока и напряжения первой и второй сети переменного напряжения и выполнено так, что матричный инвертор управляется с применением пространственно-векторной модуляции.
В основе изобретения лежит задача предложить матричный инвертор, который не только сравнительно просто конструируется, но и относительно просто регулируется, чтобы две сети переменного напряжения различного уровня напряжения и/или различной частоты соединить друг с другом.
Для решения этой задачи в матричном инверторе вышеуказанного типа в соответствии с изобретением между концами первых индуктивных схемных элементов, противоположными первой сети переменного напряжения, и потенциалом земли размещен соответственно первый инверторный блок, выполненный как управляемый источник переменного напряжения, между концами первых индуктивных схемных элементов, противоположными первой сети переменного напряжения, и концами вторых индуктивных схемных элементов, противоположными второй сети переменного напряжения, включен соответственно второй инверторный блок, выполненный как управляемый источник переменного напряжения; устройство регулирования соединено с управляющими входами первого и второго инверторных блоков таким образом, что электрическая мощность, подаваемая на матричный инвертор, равна электрической мощности, отводимой из матричного инвертора.
Существенное преимущество соответствующего изобретению матричного инвертора состоит в том, что он сравнительно просто конструируется за счет того, что он при трехфазных сетях переменного напряжения обходится только тремя первыми инверторными блоками и только тремя вторыми инверторными блоками, то есть всего требует только шесть инверторных блоков. Другое существенное преимущество состоит в том, что устройство регулирования может выполняться сравнительно просто, потому что с его помощью матричный инвертор должен управляться только таким образом, что электрическая мощность, подаваемая на матричный инвертор, равна электрической мощности, отводимой из матричного инвертора, исходя из напряжения на первой сети переменного напряжения, напряжение на второй сети переменного напряжения может быть установлено произвольно, соответственно желательно заданным значениям относительно высоты и/или частоты.
В соответствующем изобретению матричном инверторе могут использоваться управляемые инверторные блоки различного выполнения, если они пригодны для того, чтобы при соответствующем управлении образовывать управляемые источники переменного напряжения.
Особенно подходящими в качестве управляемых инверторных блоков в соответствующем изобретению матричном инверторе являются многоуровневые инверторные блоки. Они могут состоять, например, из полумостовых подмодулей. Но в качестве особенно предпочтительного рассматривается, если модульные многоуровневые инверторные блоки состоят из Н-мостовых подмодулей, потому что за счет этого гарантируется возможность отключения тока и высокая степень модуляции.
Особенно предпочтительным является, если конденсаторы Н-мостовых подмодулей являются накопительными конденсаторами с наивысшей емкостью в диапазоне фарад, которые также обозначаются как SuperCaps (суперконденсаторы). В качестве альтернативы параллельно с конденсаторами обычного исполнения в Н-мостовых подмодулях могут включаться накопители энергии, такие как батареи. Иначе накопители на каждый регулятор могут подключаться к конденсаторам промежуточного контура.
Также индуктивные схемные элементы в соответствующем изобретению матричном инверторе могут выполняться различным образом. В качестве особенно предпочтительного рассматривается, если индуктивные схемные элементы являются дросселями, потому что они являются сравнительно простыми в изготовлении и, следовательно, экономичными.
Но при необходимости может также быть предпочтительным, если индуктивные схемные элементы являются трансформаторами, потому что тем самым можно оптимизировать коэффициент трансформации всего матричного инвертора; кроме того, за счет этого могут выполняться особые требования к изоляции.
Кроме того, в основе изобретения лежит задача создать способ для формирования переменного напряжения во второй многофазной сети переменного напряжения (N2) из многофазного переменного напряжения в первой сети переменного напряжения посредством матричного инвертора, который имеет соединение с первой сетью переменного напряжения и со второй сетью переменного напряжения, соответственно соединенные с первой сетью переменного напряжения первые индуктивные схемные элементы и соответственно соединенные со второй сетью переменного напряжения вторые индуктивные схемные элементы, переключательную матрицу, которая соединяет противоположные первой сети переменного напряжения концы первых индуктивных схемных элементов с противоположными второй сети переменного напряжения концами вторых индуктивных схемных элементов, причем переключательная матрица состоит из управляемых инверторных блоков, и устройство регулирования, соединенное с управляющими входами управляемых инверторных блоков, причем устройство регулирования нагружается измеренными величинами тока и напряжения первой и второй сети переменного напряжения.
Такой способ известен из вышеупомянутого патента США 6900998 В2. Исходя из этого в соответствии с изобретением предусмотрено, что в матричном инверторе, содержащем соответственно размещенный между концами первых индуктивных схемных элементов, противоположными первой сети переменного напряжения, и потенциалом земли первый инверторный блок, выполненный как управляемый источник переменного напряжения и соответственно размещенный между концами первых индуктивных схемных элементов, противоположными первой сети переменного напряжения, и концами вторых индуктивных схемных элементов, противоположными второй сети переменного напряжения, второй инверторный блок, выполненный как управляемый источник переменного напряжения, посредством устройства регулирования управляют инверторными блоками таким образом, что электрическая мощность, подаваемая на матричный инвертор, равна электрической мощности, отводимой из матричного инвертора.
С помощью этого способа могут быть достигнуты преимущества, которые уже были описаны выше в связи с соответствующим изобретению инвертором.
Предпочтительные выполнения соответствующего изобретению способа следуют из пп. 7-10 формулы изобретения.
Изобретение поясняется со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - пример выполнения соответствующего изобретению матричного инвертора с дросселями в качестве индуктивных схемных элементов, и
фиг. 2 - принципиальное представление соответствующего изобретению матричного инвертора для одной фазы для более детального пояснения его принципа функционирования.
На фиг. 1 показан матричный инвертор MU, который соединен с первой многофазной сетью N1 переменного напряжения с фазными проводниками u1, v1 и w1. С другой стороны матричный инвертор MU также соединен с фазными проводниками u2, v2 и w2 второй многофазной сети N2 переменного напряжения.
Матричный инвертор MU подключен на первых выводах Ku1, Kv1 и Kw1 к фазным проводникам u1, v1 и w1 первой сети N1 переменного напряжения. С этими первыми выводами Ku1, Kv1 и Kw1 соединены своим соответствующим концом первые индуктивные схемные элементы Su1, Sv1 и Sw1. Противоположные первым выводам Ku1, Kv1 и Kw1 и тем самым первой сети N1 переменного напряжения, концы Eu1, Ev1 и Ew1 индуктивных схемных элементов Su1, Sv1 и Sw1 соединены с соответствующим одним первым инверторным блоком Uu1, Uv1 и Uw1 переключательной матрицы МА. На стороне выхода эти первые инверторные блоки Uu1, Uv1 и Uw1 совместно подключены к потенциалу М земли.
Как показано на фиг. 1, концы Eu1, Ev1 и Ew1 первых индуктивных схемных элементов Su1, Sv1 и Sw1 также соединены со вторыми инверторными блоками Uu2, Uv2 и Uw2, которые со своей стороны на стороне выхода подключены к противоположным второй сети N2 переменного напряжения концам Eu2, Ev2 и Ew2 вторых индуктивных схемных элементов Su1, Sv1 и Sw1. Эти схемные элементы Su2, Sv2 и Sw2 через вторые выводы Ku2, Kv2 и Kw2 подключены ко второй сети N2 переменного напряжения.
На фиг. 1 также можно видеть, что каждый из инверторных блоков Uu1, Uv1 и Uw1 или Uu2, Uv2 и Uw2 выполнен как модульный многоуровневый инвертор с соответственно некоторым числом n подмодулей SM, как это само по себе известно. Подмодули SM выполнены как так называемая Н-мостовая схема, что также является известным и поэтому здесь не требует детального описания. Управляющие выводы этих подмодулей SM здесь также только обозначены.
Количество подмодулей SM в первых и вторых инверторных блоках Uu1, Uv1 и Uw1 или Uu2, Uv2 и Uw2 выбирается с учетом желательной амплитуды напряжения во второй сети N2 переменного напряжения, если первая сеть N1 переменного напряжения является питающей сетью.
Кроме того, из фиг. 1 можно видеть, что с матричным инвертором MU ассоциировано устройство R регулирования, которое со стороны входа нагружается измеренными параметрами первой и второй сети N1 или N2 переменного напряжения. С этой целью в фазном проводнике u1 размещен преобразователь Stu1 тока, за которым размещено устройство Mu1i обработки измеренных значений, от которого ток, пропорциональный соответствующему току в фазном проводнике u1, подается на вход Eu1i. Напряжение в фазном проводнике u1 определяется посредством преобразователя Spu1 напряжения, к которому подключен преобразователь Mu1u измеренного значения. Напряжение, пропорциональное напряжению в фазном проводнике u1, подается через вход Eu1u на устройство R регулирования. Другие, лишь схематично показанные входы устройства R регулирования предусмотрены для того, чтобы соответствующим образом подавать измеренные величины тока и напряжения в фазных проводниках v1 и w1 на устройство R регулирования.
Соответствующим образом определяются также измеренные величины тока и напряжения в фазных проводниках u2, v2 и w2 второй сети N2 переменного напряжения за счет того, что посредством преобразователя Stu2 тока и устройства Mu2i обработки измеренных значений измеренная величина тока через вход Eu2i подается на устройство R регулирования; соответствующее напряжение в фазном проводнике u2 посредством преобразователя Spu2 напряжения с подключенным устройством Mu2u обработки измеренных значений через другой вход Eu2u подается на устройство R регулирования. Другие лишь схематично показанные входы устройства R регулирования предусмотрены для того, чтобы соответствующим образом регистрировать измеренные величины тока и напряжения в фазных проводниках v2 и w2 и направлять на устройство R регулирования для дальнейшей обработки.
Устройство R регулирования также снабжено управляющими выходами SA1-SAn, которые подключены (не показано) к различным управляющим входам подмодулей SM. При соответствующем выполнении устройства R регулирования отдельные подмодули SM могут управляться таким образом, что первыми и вторыми инверторными блоками Uu1, Uv1 и Uw1 или Uu2, Uv2 и Uw2 образуются два источника переменного напряжения, которые приводят к переменному напряжению желательной высоты и/или частоты на сети N2 переменного напряжения; при этом посредством устройства R регулирования обеспечивается то, что мощность, подаваемая на матричные инверторы MU из первой сети N1 переменного напряжения, равна мощности, вводимой во вторую сеть N2 переменного напряжения.
Для дальнейшего пояснения способа действия соответствующего изобретению матричного инвертора MU используется фиг. 2, на которой в качестве примера на основе одной фазы поясняется управление матричным инвертором. Представленный здесь матричный инвертор MU1, который, например, предполагается содержащим оба инверторных блока Uu1, Uu2 согласно фиг. 1, расположен, с одной стороны, в первой сети N1 переменного напряжения (например, фазный проводник u1 по фиг. 1), в которой существует напряжение u1. Этим напряжением U1 нагружается инвертор MU1. Источник W2 переменного напряжения инвертора MU1 соответствует в выбранном примере предположительно первому инверторному блоку Uu1 и вырабатывает дополнительное напряжение Uc2 инвертора; источник W2 переменного напряжения лежит, с одной стороны, на потенциале М земли, а с другой стороны, соединен с другим источником W3 переменного напряжения, который соответствует второму инверторному блоку Uu2 по фиг. 1. На этом другом источнике W2 переменного напряжения возникает дополнительное напряжение Uc3 инвертора. С помощью не показанного здесь устройства регулирования осуществляется управление инверторными блоками или источниками W2 и W3 переменного напряжения таким образом, что вводимая через дроссель Х1 (индуктивный схемный элемент Su1) мощность Р1 от сети N11 переменного напряжения соответствует мощности Р2, которая через дроссель Х2 (второй индуктивный схемный элемент Su2 на фиг. 1) выдается во вторую сеть N2 с напряжением U2. Кроме того, постоянно обеспечивается то, что с учетом различий между напряжением U1 и напряжением U2 обе мощности Р1 и Р2 равны по величине, что может быть представлено следующим образом с помощью формулы:
В этих уравнениях (1) и (2) δ1 и δ2 являются разностями фаз на индуктивных схемных элементах Х1 и Х2. Напряжение Uc1 задается уравнением (3):
Отсюда становится ясно, что посредством управления потоком мощности можно при заданном напряжении U1 или напряжении в фазном проводнике u1 согласно фиг. 1 за счет управления источниками W2 и W3 переменного напряжения или первым и вторым инверторными блоками Uu1 и Uu2 высоту напряжения, фазу и частоту напряжений Uc2 и Uc3 устанавливать таким образом, что во второй сети N21 переменного напряжения или N2 согласно фиг. 1 возникает желательное напряжение U2.