СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ИНДУКТИВНОГО ТИПА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
CONTROL METHOD OF LOAD MAINLY OF INDUCTIVE TYPE, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способу регулирования нагрузки преимущественно индуктивного типа, например, электрического двигателя, генератора или т.п. для питания фазы вышеупомянутой нагрузки с использованием, по меньшей мере, двух переключаемых выходных напряжений, подаваемых с помощью одного или нескольких силовых электронных инверторов с заданным периодом переключения, модуляции или дискретизации, таких как инвертор с цепью межкаскадной связи постоянного тока, понижающий или повышающий инвертор или тому подобное.
Известны два основных типа инверторов с цепью межкаскадной связи постоянного тока, то есть инвертор напряжения (VSI), использующий конденсатор в качестве вставки постоянного тока и обеспечивающий переключение выходного напряжения, и инвертор тока (CSI), использующий индуктивность в качестве вставки постоянного тока и обеспечивающий переключаемый сигнал тока на его выходах. Далее в описании будут рассматриваться только инверторы напряжения.
В стандартном инверторе напряжения каждая ветвь может быть приведена к двухполосному коммутационному устройству, подающему переключаемый сигнал напряжения на нагрузку, когда или положительное, или отрицательное напряжение шины постоянного тока кратковременно прикладывается к одной из фаз указанной нагрузки.
Если к определенной фазе прикладывается напряжение с отрицательной шины, то ток этой фазы будет уменьшаться, и наоборот, если с положительной, то, обычно, фазовый ток будет возрастать.
За счет применения способов модуляции, таких как широтно-импульсная модуляция (ШИМ) или таких известных способов, как гистерезисный контроль, имеется возможность обеспечить среднее напряжение, которое в пределах каждого периода ШИМ равно опорному напряжению. Поскольку частоты ШИМ намного выше, чем частота указанного опорного напряжения, то опорное напряжение определяется основной гармоникой переключаемой последовательности импульсов. Помимо этой основной гармоники, спектр напряжения, например, на выводах двигателя, содержит много высших гармоник. В области применения электропривода подобный изменяющийся выход вызывает добавочные гармонические составляющие тока, который увеличивает пульсацию вращающего момента, ведущую к увеличению колебаний скорости, а также к потерям в результате нагревания двигателя.
Известный способ уменьшения токовой пульсации, обусловленной переключаемым сигналом напряжения, состоит в повышении частоты переключений инвертора. Однако частота переключений ограничена максимальным значением, которое зависит как от силовой электроники, так и от блока управления. Более того, возрастают потери инвертора в результате возрастания частоты переключений.
Другое хорошо известное средство для сокращения пульсации тока - это установка дросселя на выходе инвертора или синусного фильтра, который образуется из комбинации дросселя и конденсатора.
Недостатками применения дросселя на выходе инвертора являются высокая стоимость, дополнительные потери и перепад напряжения. Особенно в высокочастотной области применения, такой как высокоскоростные редукторы, последний недостаток особенно важен, поскольку перепад напряжения зависит от частоты основной гармоники.
Еще известен блок параллельных преобразователей питания, который применяется для ограничения максимально допустимой мощности каждого из соединенных параллельно преобразователей, на основании чего ветви соответствующих инверторов соединены параллельно непосредственно друг с другом.
Недостаток такой системы заключается в том, что выходные напряжения параллельных ветвей инвертора должны быть идентичными, так как любая разница выходного напряжения, как, например, сдвиг импульсов ШИМ, может вызвать опасно высокую циркуляцию тока или короткое замыкание при параллельном соединении.
В других известных системах каждый параллельно включенный инвертор снабжается отдельным дросселем так, что импульсы напряжения каждой из этих соответствующих выходных ветвей инверторов могут быть сдвинуты.
Известная концепция при ШИМ для параллельной выходной ветви инвертора заключается в использовании одинаковой формы сигнала напряжения, но при этом импульсы напряжения сдвинуты на половину периода ШИМ.
Главный недостаток такой методики состоит в том, что каждый дроссель нагружается магнитным полем, которое образуется за счет полного выходного тока инвертора, а также в том, что частота переключений не может быть сокращена.
Другие недостатки этих известных способов заключаются в том, что количество гармоник уменьшается незначительно, а также в том, что присутствует большой перепад напряжения на высокой частоте основной гармоники.
Следующий недостаток известных способов состоит в том, что вышеупомянутые дроссели при больших мощностях имеют значительные размеры и являются дорогостоящими.
В предыдущей патентной заявке того же самого заявителя уже было описано устройство, которое устраняет некоторые вышеупомянутые недостатки; это устройство сконструировано как дифференциальное устройство, которое гарантирует, что основная часть магнитного потока, создаваемого током в одной из ветвей инвертора, нейтрализуется магнитным потоком, который создается током в одной или нескольких других ветвях инвертора.
По сравнению со стандартным дросселем с такой же допустимой мощностью результирующий магнитный поток очень мал, следствием чего являются недорогие дифференциальные устройства малых размеров.
Задачей настоящего изобретения является создание способа регулирования нагрузки преимущественно индуктивного типа, при котором частота переключений инвертора сокращается, ослабляются гармонические составляющие тока и/или достигаются другие преимущества над традиционными способами, применяющимися для регулирования нагрузки.
Для решения этой задачи предложен способ регулирования нагрузки преимущественно индуктивного характера, при котором для питания фазы вышеуказанной нагрузки используются, по меньшей мере, два переключаемых выходных напряжения, подаваемых одним или несколькими силовыми электронными инверторами с заданным периодом переключения, модуляции или дискретизации, при котором формы сигналов указанных выходных напряжений различны или сдвинуты во времени и при котором они подаются на нагрузку через устройство, выполненное как устройство дифференциального типа, благодаря которому в течение каждого полного вышеупомянутого периода, по меньшей мере, одно из вышеупомянутых выходных напряжений поддерживается постоянным и поэтому не переключается.
Главное преимущество способа в соответствии с изобретением заключается в том, что может быть существенно уменьшена частота переключений инверторов, что ведет к сокращению потерь в этих инверторах.
Другим преимуществом способа регулирования нагрузки преимущественно индуктивного типа согласно изобретению состоит в том, что уменьшаются гармонические составляющие тока, так что возрастает эффективность нагрузки и уменьшается нагревание нагрузки.
Дополнительным преимуществом способа согласно изобретению является то, что синфазное напряжение будет значительно ниже, в результате чего устраняются проблемы, например, относящиеся к электромагнитной совместимости (ЭМС).
Настоящее изобретение также относится к устройству, которое служит для осуществления вышеописанного способа для регулирования нагрузки преимущественно индуктивного типа, при этом данное устройство содержит один или несколько силовых электронных инверторов с заданным периодом переключения, модуляции или дискретизации для обеспечения, по меньшей мере, двух выходных напряжений переключения, также это устройство содержит, по меньшей мере, одно дифференциальное устройство, с которым вышеупомянутый инвертор или инверторы соединены так, чтобы питать фазу вышеупомянутой нагрузки, и вышеупомянутый инвертор или инверторы снабжены органом контроля, выполненным с возможностью обеспечивать условие, что сигналы соответствующих выходных напряжений отличны по форме или сдвинуты во времени, и в течение каждого полного вышеупомянутого периода, по меньшей мере, одно из вышеупомянутых выходных напряжений поддерживается постоянным и вследствие этого не переключается.
Предпочтительным является вышеупомянутое дифференциальное устройство, снабженное одним или несколькими индукционными элементами, такими как дроссели, трансформаторы, тороидальные трансформаторы, кольца с ферритовым сердечником, стальные сердечники, синфазные дроссели, компенсированные по току дроссели или им подобные, имеющие две или более параллельных обмоток, чтобы давать возможность гасить напряжение и соответственно ток при дифференциальном включении двух или более ветвей инвертора, соединенных с этим устройством.
С целью лучшего понимания особенностей настоящего изобретения ниже даются предпочтительные способы реализации согласно изобретению с помощью примеров, что не является ограничительным условием, со ссылкой на сопроводительные чертежи, где:
фиг.1 представляет известную схему двух параллельных ветвей инвертора;
фиг.2 представляет схематически обмотку дифференциального устройства;
фиг.3 представляет схему замещения обмотки, изображенной на фиг.2;
фиг.4 представляет на примере схему подключения дифференциального устройства в соответствии с фиг.3;
фиг.5 и 6 представляют варианты на основании фиг.4;
фиг.7 представляет вариант обмотки на основании фиг.2;
фиг.8 и 9 представляют варианты в соответствии с фиг.7;
фиг.10 на примере представляет схему дифференциального устройства для трехфазного подключения;
фиг.11 представляет логику переключений, применяемую при осуществлении способа согласно изобретению;
фиг.12 представляет синфазное напряжение (синфазный сигнал напряжения) для трехфазного подключения;
фиг.13 представляет принцип переключений в низком диапазоне модуляции;
фиг.14 представляет форму сигнала напряжения в низком диапазоне модуляции;
фиг.15 представляет опорное напряжение различных систем и результирующий входной сигнал двигателя в первой фазе трехфазной электрической машины;
фиг.16 представляет выходной ток инвертора для различных систем при 3-фазном включении;
фиг.17 представляет на примере входной ток 3-фазной электрической машины для различных систем.
На фиг.1 представлена известная схема, в которой выходные ветви 1 и 2 двух инверторов, не показанных на чертежах, соединены параллельно и подсоединяются к нагрузке 3 преимущественно индуктивного типа, и в котором в этом случае нагрузка 3 состоит из двигателя 4, в частности из одной фазы этого двигателя 4.
В каждой из выходных ветвей 1 и 2 соответствующих инверторов, как известно, имеется дроссель 5.
Как уже описано в вводной части, такая схема имеет большое количество недостатков, а именно: высокую частоту переключений, недостаточное уменьшение содержания гармоник, большой перепад напряжений на высоких частотах основной гармоники, сильное магнитное поле в каждом дросселе, так как это поле генерируется полным выходным током инверторов, высокую стоимость дросселей 5, имеющих большие размеры особенно в случае высоких мощностей.
На фиг.2 представлена основная схема дифференциального устройства 6, описанная в предыдущей патентной заявке того же самого заявителя, в которой две встречно-параллельные обмотки 7 намотаны на общий магнитный сердечник 8, например стальной сердечник.
1
2
Обе вышеупомянутые обмотки 7 используются для соединения двух ветвей 1 и 2 инвертора, обеспечивая подачу напряжений U и U.
1
2
Дальние концы обмоток 7 соединены через общий провод 9 с одной фазой нагрузки, которая может состоять из активной или пассивной энергетической системы индуктивного типа, например фазы двигателя. В соответствии с законом Кирхгофа ток нагрузки, протекающий по проводу 9, равен сумме токов i и i инверторов, проходящих через соответствующие ветви 1 и 2 инвертора.
Фиг.3 представляет схему, изображенную на фиг.2, в виде упрощенной эквивалентной цепи.
С целью параллельного управления токи двух ветвей 1 и 2 инверторов, которые создают поле в магнитном сердечнике 8, должны быть равными. В зависимости от направления тока магнитный поток, который генерируется обмотками 7, будет параллельным (согласным) или встречным.
При равных выходных токах обоих инверторов и соотношении витков 1:1 при 100% магнитной связи оба магнитных потока смогут полностью нейтрализовать друг друга, и результирующее магнитное поле в дифференциальном устройстве 6 будет равным нулю.
1
2
Однако в случае наличия тока дифференциального вида, при котором i отличается от i, в магнитном сердечнике 8 будет присутствовать магнитный поток, в результате чего дроссель будет работать как индукционная катушка, противодействуя этому нежелательному току.
1
2
Что касается обычного однофазного дросселя, то магнитное поле создается полным фазовым током, магнитное поле дифференциального устройства 6, в основном, создается за счет разницы выходных токов i и i соответствующих инверторов, соединенных параллельно.
Этот дифференциальный ток (т.е. разность токов) может составлять только долю общего тока фазы. Поскольку стальной сердечник не обнаруживает основных гармоник тока и напряжения инвертора, то стальной сердечник может иметь значительно меньшие размеры по сравнению с обычным дросселем или трансформатором, которые используются при идентичных допустимых мощностях.
В испытательном комплекте, например, стальные сердечники 2-х киловольтамперных дросселей применяются для питания двигателя 300 кВт с параллельным подводом энергии, где выходные ветви 1 и 2 разных инверторов соединены параллельно.
Однако такая схема непонятна, поскольку дифференциальное устройство 6 достигает насыщения и поэтому не может далее работать правильно при относительно низких уровнях тока дифференциального вида.
Фиг.4-10 иллюстрируют много различных возможных схем. При этом основной принцип всегда остается одним и тем же, а именно:
- при идентичных выходных токах ветвей 1 и 2 инверторов, питающих одну и ту же фазу нагрузки 3, и пренебрегая потерями на утечку, магнитное поле дифференциального устройства 6 равно нулю;
1
2
- выходное напряжение дифференциального устройства 6 составляет сумму соответствующих входных напряжений U и U этого дифференциального устройства, деленную на количество входов.
Дифференциальные устройства 6, которые применяются при параллельном подводе энергии, могут быть реализованы за счет использования одного из индуктивных элементов, например, дросселей, трансформаторов, тороидов, колец с ферритовым сердечником, стальных сердечников, «синфазных» дросселей, дросселей с компенсацией токов или им подобных. Такие индуктивные элементы имеют две или более параллельных обмоток (в зависимости от числа параллельных ветвей инверторов) с целью демпфирования напряжения дифференциального вида и соответственно тока.
1
2
На фиг.4 представлен пример схемы дифференциального устройства 6 согласно фиг.3, которое подсоединяется к нагрузке 3 в виде фазы двигателя и питается с помощью ветвей 1 и 2 инверторов, которые подают выходные напряжения U и U соответственно.
1
2
В этом примере дифференциальное устройство 6, как представлено на фиг.2, состоит из двух встречно-параллельных обмоток 7, намотанных на магнитный сердечник 8, в котором магнитное поле, создаваемое обмотками 7, равно нулю, когда оба выходных тока i и i соответствующих инверторов равны.
1
2
Поскольку намотанные встречно-параллельно обмотки 7 связаны с одним и тем же магнитным потоком, то значения падения напряжения на обмотках 7 являются противоположными. Если падением напряжения на сопротивлении, магнитным потоком рассеяния, емкостной связью и другими паразитными воздействиями можно пренебречь, то можно сказать, что выходные напряжения U и U ветвей 1 и 2 инверторов будут равны:
L
load
U представляет падение напряжения, которое возникает на обмотке 7 ветви 1 первого инвертора, a U представляет напряжение, приложенное к фазе двигателя.
В соответствии с (1)-(2) сумма выходных напряжений соответствующих инверторов равна:
Из этого следует, что падение напряжения на нагрузке равно:
L
d
Эта формула также может быть получена из следующей системы уравнений, в которой U представляет ЭДС самоиндукции дросселя и L коэффициент самоиндукции дросселя:
Из этого следует, что ЭДС самоиндукции на дросселе равна:
На фиг.5 показан пример устройства в соответствии с изобретением с тремя дифференциальными устройствами 6 для 3-фазного включения. В этом примере многофазная нагрузка в виде электрической машины, которая состоит из 3-фазного двигателя 10, питается с помощью двух 3-фазных инверторов 11 и 12, являющихся частью устройства в соответствии с изобретением.
С этой целью в каждый момент времени две выходные ветви 13 и 14 соответствующих инверторов 11 и 12 соединяются параллельно с помощью отдельного дифференциального устройства 6, и каждое из трех отдельных дифференциальных устройств 6 питают соответствующие фазы двигателя 15, 16 или 17.
Вышеупомянутые силовые электронные инверторы могут, таким образом, быть либо соединены, либо нет с общей шиной напряжения постоянного тока.
Принцип работы дифференциального устройства 6 и результирующие уравнения аналогичны тем, что описаны в предыдущем примере, представленном на фиг.4.
Действительно для этого примера справедливо выражение:
В соответствии с изобретением вышеупомянутые инверторы 11 и/или 12 содержат систему управления, которая гарантирует, что формы сигналов выходных напряжений от соответствующих ветвей 13 и 14 инверторов, которые соединены с одним и тем же дифференциальным устройством, отличаются по времени или сдвинуты по времени, и при этом в течение любого вышеупомянутого полного периода, по меньшей мере, одно из вышеупомянутых выходных напряжений поддерживается постоянным и тем самым не переключается.
В соответствии с тем же самым принципом имеется возможность соединять параллельно более чем две ветви инвертора, как это, например, представлено на фиг.6, где на примере показана схема двух дифференциальных устройств, которые соединены с тремя ветвями 18, 19 и 20 инвертора и питают одну фазу двигателя 21.
Для этого примера справедлива следующая система уравнений:
Кроме того, для этого примера справедливы следующие уравнения:
L1
L2
1
2
3
В этих уравнениях U и U представляют ЭДС самоиндукции соответствующих дросселей каждого из дифференциальных устройств 6, а напряжения U, U и U представляют выходные напряжения соответствующих инверторов.
В качестве варианта схема на фиг.6 может, например, содержать больше, чем два дифференциальных устройства 6 или другое расположение обмоток дифференциального устройства 6.
Также имеется возможность использовать в дифференциальном устройстве 6 только один стальной сердечник для развязки инверторов, в результате чего можно осуществить параллельный подвод энергии.
Согласно особым признакам изобретения дифференциальное устройство содержит обмотки вокруг стального сердечника с большим, чем один, путем магнитного потока.
Фиг.7-9 представляют три различных схемы обмотки, каждая из которых обеспечивает такое же уравнение напряжения для нагрузки, как вышеупомянутое уравнение (6) в примере, изображенном на фиг.6, при условии, что за основу взято соотношение обмоток 1:1:1 и что можно пренебречь потерями при утечке.
На каждой фигуре дифференциальное устройство 6 содержит 3-фазный трансформатор 22, который питается от трех выходных ветвей 23-25 трех отдельных инверторов, не показанных на фигурах.
В примере, изображенном на фиг.7, дальние концы обмоток 26 вокруг соответствующих стержней 27 соединены параллельно и подсоединяются через общий провод 28 к нагрузке 3 преимущественно индуктивного типа, например фазе двигателя.
На схеме, изображенной на фиг.8, две отдельные обмотки 29 и 30 наматываются вокруг каждого стержня 27 трансформатора, причем первая обмотка 29 соединена с выходной ветвью 23-25 соответствующего инвертора, а вторая обмотка 30 соединена одним дальним концом с вышеупомянутой первой обмоткой 29 соответственно, а другие дальние концы вторых обмоток 30 соединены параллельно так, чтобы обеспечить подачу питания на нагрузку.
Соединение между первой и второй обмотками 29 и 30 соответствующих стержней 27 трансформатора в этом случае выполняется так, что каждая первая обмотка 29 соответствующего стержня 27 трансформатора соединяется со второй обмоткой 30 вокруг другого стержня 27 трансформатора.
На схеме, представленной на фиг.9, три отдельных обмотки 31-33 наматываются вокруг каждого из стержней трансформатора, и эти обмотки 31-33 соединяются друг с другом таким образом, что выходной ток, обеспечиваемый каждым из соответствующих инверторов, протекает по трем обмоткам, причем эти три обмотки наматываются вокруг каждого стержня 27 трансформатора.
Пример применения дифференциального устройства 6 в соответствии с фиг.8 представлен на фиг.10, который изображает устройство, питающее нагрузку в соответствии с изобретением.
В этом примере 3-фазная нагрузка 3 в виде двигателя 10 питается с помощью 3-фазных инверторов 34-36, а именно: с помощью трех дифференциальных устройств 6, которые изображены как пример на фиг.8, с двумя обмотками 29 и 30 вокруг каждого стержня 27 трансформатора.
С этой целью каждый 3-фазный инвертор 34-36 применяется для питания разных фаз 15-17 двигателя, но понятно, что выходные ветви 23-25 инверторов 34-36 можно также объединить другими способами, например с помощью использования первой фазы 23 каждого инвертора 34-36 для питания одной фазы 15 двигателя, с помощью использования второй фазы 24 инвертора для питания второй фазы 16 нагрузки 3 и с помощью подачи питания на третью фазу 17 нагрузки за счет третьих фаз соответствующих инверторов 34-36.
Во всех случаях применения дифференциального устройства 6 напряжение, которое подается на каждую фазу нагрузки, равно сумме выходных напряжений соответствующих инверторов, которые питают дифференциальное устройство 6, деленной на количество выходов инверторов, которые соединены с этим дифференциальным устройством 6.
Наиболее простой способ получить требуемое опорное напряжение нагрузки состоит в том, что подается одинаковое напряжение на все параллельные ветви инвертора таким образом, что осуществляется традиционный подвод электроэнергии без каких-либо дополнительных недостатков.
Предлагаемый способ регулирования нагрузки преимущественно индуктивного типа состоит в том, что сигналы выходных напряжений соответствующих ветвей инверторов, которые соединены с общим дифференциальным устройством для подачи питания на фазу нагрузки, различаются по форме или сдвигаются по времени, а также в том, что в течение каждого полного периода переключения, модуляции или дискретизации, по меньшей мере, одно из вышеуказанных напряжений поддерживается постоянным и поэтому не переключается посредством вышеуказанной системы управления.
В соответствии с предпочтительными свойствами изобретения в течение каждого полного периода переключения, периода модуляции или периода дискретизации подключается максимум одно из выходных напряжений, подводимых к одной и той же фазе нагрузки.
В течение того же периода все другие ветви инверторов, которые соединены с одним и тем же дифференциальным устройством, подают постоянное выходное напряжение.
На фиг.11 представлен пример для одной фазы нагрузки, которая питается тремя ветвями инверторов.
ref
На верхнем графике пунктиром показано опорное напряжение U и сплошной линией показано результирующее напряжение, приложенное к нагрузке.
1
2
3
Три нижних графика показывают опять отмеченное крестиками опорное напряжение, а также представляют логику переключений S, S и S соответствующей ветви инвертора в каждый момент времени.
Этот пример дает симметричную широтно-импульсную модуляцию ШИМ, которая начинает каждый цикл переключения «высокого» уровня (т.е. с положительного выходного напряжения соответствующей ветви инвертора).
PWM
По горизонтальной оси отложено время t, деленное на период T широтно-импульсной модуляции ШИМ.
В течение первого периода дискретизации или периода ШИМ выходные напряжения двух самых верхних ветвей инвертора являются «высокими», в то время как третья ветвь инвертора подключается на короткий промежуток времени как «низкая» в течение этого периода дискретизации или периода ШИМ.
В течение этого периода дискретизации или периода ШИМ напряжение, которое приложено к фазе нагрузки дифференциальным устройством, будет «высоким» и будет временно подключаться к нижнему уровню.
В следующие пять периодов дискретизации или периодов ШИМ максимум одна из выходных ветвей инвертора, которая соединена с дифференциальным устройством, будет переключаться, тогда как все другие выходные ветви будут постоянно подавать «высокое» напряжение.
В течение следующих трех периодов дискретизации или периодов ШИМ в каждый момент времени одно из выходных напряжений будет постоянно «низким», в то время как другое выходное напряжение является постоянно «высоким» и третье выходное напряжение будет временно переключаться от «высокого» к «низкому», начиная с «высокого» уровня.
В течение следующих восьми периодов дискретизации или периодов ШИМ два выходных напряжения будут в каждый момент времени поддерживаться постоянно «низкими», в то время как третье выходное напряжение в этот период дискретизации или ШИМ будет временно переключаться от «высокого» к «низкому».
Затем последует опять количество периодов дискретизации или ШИМ, в которых одно из выходных напряжений является постоянно «низким», тогда как второе выходное напряжение является постоянно «высоким», а третье выходное напряжение будет временно переключаться к «низкому», начиная с «высокого» уровня.
Таким образом, получается опорный сигнал, изображенный пунктирной линией на верхнем графике фиг.11, где напряжение подключается между дискретным количеством уровней напряжения, в этом случае четырьмя уровнями напряжения.
В соответствии с изобретением вместо симметричной широтно-импульсной модуляции ШИМ, где каждый период начинается с уровня «высокий», также могут применяться другие приемы, как, например, симметричная широтно-импульсная модуляция, где каждый период начинается с уровня «низкий», «edge aligning PWM», асинхронная и синхронная ШИМ и т.п.
Предпочтительный признак изобретения, заключающийся в том, что в течение каждого периода дискретизации переключается максимум одна ветвь инвертора, может быть осуществлен в каждом из указанных методик переключения.
При работе в реальном масштабе времени добавляются дополнительные характеристики, такие как задержка из-за зоны нечувствительности, детектирование минимальной последовательности импульсов и т.п.
ref
ref
Во всех следующих примерах выходное напряжение ветви инвертора будет пропорционально опорному сигналу x, находящемуся в диапазоне -1<x<+1.
Опорный сигнал «+1», следовательно, соответствует ветви инвертора, которая постоянно подключена к положительной шине напряжения постоянного тока, тогда как опорный сигнал «-1» соответствует выходному напряжению ветви инвертора, которое равно напряжению на отрицательной шине постоянного тока.
При многофазном применении без какого-либо соединения нейтрали может применяться взаимодействие различных фаз.
Вместо применения отдельного инвертора для каждой фазы может принимать участие в процессе комплексный опорный сигнал как одно целое.
В зависимости от области применения такое техническое решение может предоставить дополнительные преимущества. Типичный пример, описанный в литературе, это «Пространственно-векторная модуляция» (ПВМ) для электрических двигателей.
Дальнейшее уменьшение частоты переключений может быть получено согласно изобретению путем добавления синфазного напряжения на всех фазах таким образом, что, по меньшей мере, одна из фаз является постоянно высокой или низкой в течение полного периода переключения, модуляции или дискретизации (т.е. не происходит процесса переключения на, по меньшей мере, одной фазе).
Такое изменение синфазного напряжения не чувствуется нагрузкой, поскольку оно не влияет на межфазные напряжения.
На фиг.12 показан пример сдвига напряжения при 3-фазном применении.
Верхняя диаграмма этой фигуры изображает три синусоидальных опорных сигнала U, V и W, сдвинутые на 120 градусов.
ref
ref
ref
Добавление «синфазного» напряжения, показанного на примере пунктирными линиями, приводит к опорным сигналам U, V и W, как показано на нижних трех подграфиках.
В этом примере опорный сигнал, который равен +1 или -1, не приводит к процессу переключения.
В результате действительная частота переключений существенно уменьшается, поскольку в течение каждого периода переключения, модуляции или дискретизации процесс переключения будет производиться самое большее в двух ветвях инвертора.
В этом примере каждый из выходов инверторов, предназначенных для питания фазы U в течение третьего, четвертого, пятого, девятого, десятого, одиннадцатого, пятнадцатого, шестнадцатого, семнадцатого, двадцать первого, двадцать второго и двадцать третьего периодов дискретизации или ШИМ, будет поддерживаться постоянным.
Аналогично путем добавления синхронного напряжения к синусоидальным опорным сигналам для соответствующих фаз V и W можно гарантировать, что эти фазы также находятся в состоянии +1 или -1 в течение определенного периода дискретизации или ШИМ. Это означает, что ни одно из выходных напряжений соответствующих ветвей инверторов, которые соединены с дифференциальным устройством, питающим фазу V или W, не переключается.
Дальнейшее уменьшение основной частоты переключений может быть получено с помощью использования известных способов, например детектирования последовательности минимальных импульсов и т.п.
Настоящее изобретение также позволяет применить особые принципы переключения, предоставляющие дополнительные преимущества, которые заключаются в том, что вышеуказанные выходные напряжения находятся в низком диапазоне модуляции, где опорное напряжение мало по сравнению с напряжением шины постоянного тока.
Главные преимущества состоят в том, что нелинейные характеристики инвертора, как, например, влияние зоны нечувствительности, нейтрализуются, а так же в том, что частота переключений уменьшается.
Аналогично, как в предыдущем примере, изображенном на фиг.12, главная идея способа переключения заключается в том, что на все фазы добавляется синфазное напряжение так, чтобы в течение каждого периода переключения, модуляции или дискретизации был осуществлен процесс переключения в максимум одной из параллельных ветвей инвертора.
В течение одного и того же периода ШИМ все другие ветви инвертора имеют на выходе одно и то же напряжение. Это означает, что все эти другие ветви инвертора являются постоянно «высокими» или постоянно «низкими», т.е. не происходит смешения постоянно высоких и постоянно низких напряжений.
Пример такого 3-фазного устройства представлен на фиг.13, схема которого аналогична показанной на фиг.12 и в котором представленные опорные напряжения находятся в низком диапазоне модуляции.
На фиг.14 представлена логика переключения трех ветвей инвертора, которые питают одну фазу нагрузки, в данном случае фазу U.
Фиг.15-17 являются образцами волн напряжения 3-фазного устройства. Здесь 3-фазная электрическая машина последовательно питается одним, двумя или тремя инверторами соответственно, которые соединены параллельно с помощью дифференциальных устройств, в силу чего нелинейные характеристики нейтрализуются.
Фиг.15 показывает опорное напряжение и входное напряжение Un двигателя между первой и второй фазой как функцию времени t.
Обычно линейное (междуфазное) напряжение 3-фазного двигателя, который питается одним 3-фазным инвертором, состоит из трех различных уровней, а именно:
нулевого, положительного и отрицательного напряжения шины постоянного тока.
Таким образом, настоящее изобретение дает возможность применять линейное напряжение, состоящее из более чем двух положений.
Соответственно напряжение приобретает более синусоидальную форму; это означает, что напряжение становится более похожим на опорное напряжение.
В данном примере количество уровней n равно:
k - количество параллельных ветвей инвертора.
inv
mot
Фиг.16 и 17 соответственно показывают выходной ток инвертора i и входной ток i двигателя как функцию времени t.
Понятно, что для двигателя, который питается одним инвертором, выходной ток инвертора будет идентичен входному току двигателя, питаемого этим инвертором.
В режиме питания с помощью нескольких инверторов выходной ток инвертора складывается с током двигателя.
mot
Как следует из графиков, представленных на фигурах, ток двигателя i получается более равномерным в многоинверторном режиме, поскольку питающее напряжение имеет более синусоидальную форму.
Настоящее изобретение без каких-либо ограничений может быть применимо к электрическим двигателям с обмотками, имеющими несколько слоев. В этом случае не обязательно, но возможно соединять параллельные обмотки, поскольку параллельные обмотки охватываются тем же магнитным потоком, что и двигатель. Следовательно, и падение напряжения параллельных обмоток также будет равным.
В соответствии с изобретением вышеупомянутая нагрузка, которая соединена с дифференциальными устройствами, может состоять из любого типа пассивной или активной нагрузки, такой как двигатель, генератор, сеть электропитания и т.п.
Следовательно, способ в соответствии с изобретением не ограничен применением в области электрических приводов; напротив, такой способ хорошо подходит для применения в приводах компрессора.
Благодаря своим характерным особенностям предлагаемый настоящим изобретением способ пригоден при применении высоких скоростей и/или в активных устройствах предварительной обработки данных, и/или при применении активных фильтров.
В соответствии с изобретением вышеупомянутое дифференциальное устройство может быть, по меньшей мере, частично расположено в корпусе силового электронного инвертора.
Более того, дифференциальное устройство может частично состоять из обмоток электрической машины и/или оно может частично состоять из шихтованного сердечника электрической машины.
Также не исключено в соответствии с изобретением, что дифференциальное устройство может выполняться в виде одной или нескольких обмоток, намотанных вокруг стального сердечника, вокруг которого также намотаны обмотки другого дифференциального устройства, питающего другую фазу.
Настоящее изобретение никоим образом не ограничено тем способом и устройством, которые представлены с помощью примеров и сопроводительных чертежей; напротив, предлагаемые в изобретении способ и устройство могут быть выполнены любыми средствами, не выходя за пределы объема изобретения.