ПРЯМОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СИСТЕМА С ТАКИМ ПРЯМЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
DIRECT CONVERTER AND SYSTEM WITH THIS TYPE OF CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области силовой электроники. Оно касается прямого преобразователя и системы с таким прямым преобразователем в соответствии с ограничительными частями независимых пунктов формулы.
Уровень техники
Прямые преобразователи, в частности матричные, имели в прошлом, скорее, академическое значение. Однако сегодня прямые преобразователи приобретают значение, прежде всего, для промышленного применения, поскольку посредством прямого преобразователя без сложной промежуточной схемы постоянного напряжения или промежуточной схемы постоянного тока можно преобразовать входное напряжение или входной ток с первой амплитудой и первой частотой непосредственно в выходное напряжение или входной ток со второй амплитудой и второй частотой. Такой прямой преобразователь описан, например, в US 6900998 B2. Он содержит n=3 входных фазных выводов и p=3 выходных фазных выводов, т.е. он выполнен на входной и выходной сторонах трехфазным. Кроме того, он включает в себя девять двухполюсных коммутационных элементов для переключения положительного и отрицательного напряжений между полюсами, причем каждый выходной фазный вывод последовательно соединен с каждым входным фазным выводом непосредственно через один коммутационный элемент.
Проблема у прямого преобразователя по US 6900998 B2 состоит в том, что напряжение в каждой ветви, т.е. в каждом двухполюсном коммутационном элементе, нельзя отрегулировать таким образом, чтобы достичь непрерывного прохождения тока от входного фазного вывода к выходному фазному выводу, из-за чего невозможно активное регулирование тока через соответствующую цепь. Кроме того, с помощью прямого преобразователя по US 6900998 B2 невозможен или возможен лишь ограниченный обмен электрической энергией между отдельными цепями. Если же прямой преобразователь должен передавать большое количество электрической энергии, то мощности коммутационных элементов должны рассчитываться соответственно высокими, что влечет за собой потребность в большой площади для размещения такого прямого преобразователя и значительные расходы. Системы с такими прямыми преобразователями также требуют соответственно большой площади и соответственно дороги.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание прямого преобразователя, посредством которого возможно произвольное и непрерывное регулирование прохождения тока от входного фазного вывода к выходному фазному выводу прямого преобразователя и, кроме того, обмен электрической энергией между его двухполюсными коммутационными элементами. Кроме того, задачей изобретения является создание системы с таким прямым преобразователем.
Эти задачи решаются посредством признаков пп.1 и 6 формулы. В зависимых пунктах охарактеризованы предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Предложенный прямой преобразователь содержит n входных и p выходных фазных выводов, причем n≥2 и p≥2. Кроме того, прямой преобразователь включает в себя п·р двухполюсных коммутационных элементов для переключения по меньшей мере одного положительного и по меньшей мере одного отрицательного напряжений между полюсами, причем каждый выходной фазный вывод последовательно соединен с каждым входным фазным выводом через один коммутационный элемент. Согласно изобретению, в каждое последовательное соединение включена по меньшей мере одна индуктивность. Индуктивность в каждом последовательном соединении, т.е. в каждой цепи между входным и выходным фазными выводами, обеспечивает предпочтительно регулирование напряжения посредством коммутационных элементов таким образом, что может быть достигнуто непрерывное прохождение тока от входного фазного вывода к выходному фазному выводу, благодаря чему возможно активное регулирование тока посредством соответствующей цепи. Кроме того, благодаря предложенному прямому преобразователю возможен почти произвольный обмен электрической энергией между отдельными цепями.
В системе с описанным выше прямым преобразователем его входные фазные выводы подключены через трансформатор к электрической сети переменного напряжения. В качестве альтернативы этому, по меньшей мере, один входной фазный вывод прямого преобразователя подключен к электрической сети переменного напряжения через дроссель ограничения входного тока утечки. В целом, предложенная система выполнена, тем самым, достаточно просто.
Эти и другие задачи, преимущества и признаки изобретения становятся очевидными из нижеследующего подробного описания предпочтительных примеров его осуществления в сочетании с чертежами.
Краткое описание чертежей
На чертежах представлены:
фиг.1 - первый вариант выполнения прямого преобразователя;
фиг.2 - второй вариант выполнения прямого преобразователя;
фиг.3 - третий вариант выполнения прямого преобразователя;
фиг.4 - первый вариант выполнения системы;
фиг.5 - второй вариант выполнения системы;
фиг.6 - третий вариант выполнения системы;
фиг.7 - четвертый вариант выполнения системы;
фиг.8 - пятый вариант выполнения системы;
фиг.9 - шестой вариант выполнения системы;
фиг.10 - седьмой вариант выполнения системы;
фиг.11 - восьмой вариант выполнения системы;
фиг.12 - девятый вариант выполнения системы;
фиг.13 - десятый вариант выполнения системы;
фиг.14 - одиннадцатый вариант выполнения системы;
фиг.15 - двенадцатый вариант выполнения системы;
фиг.16 - тринадцатый вариант выполнения системы.
Указанные на чертежах ссылочные позиции и их значение приведены в перечне. В принципе, одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Описанные варианты выполнения являются примерами воплощения объекта изобретения и не обладают ограничительным действием.
Осуществление изобретения
Прямой преобразователь 1 содержит n входных фазных выводов U1, V1, W1 и p выходных фазных выводов U2, V2, W2, причем n≥2 и p≥2. Кроме того, он содержит n·p двухполюсных коммутационных элементов 2 для переключения по меньшей мере одного положительного и по меньшей мере одного отрицательного напряжения между полюсами, причем каждый выходной фазный вывод U2, V2, W2 последовательно соединен с каждым входным фазным выводом U1, V1, W1 через один коммутационный элемент 2. На фиг.1 это последовательное соединение для прямого преобразователя 1 с n=3 входными фазными выводами U1, V1, W1 и p=3 выходными фазными выводами U2, V2, W2 изображено в качестве примера. Далее на фиг.2 изображен прямой преобразователь с n=2 входными фазными выводами U1, V1 и p=3 выходными фазными выводами U2, V2, W2, а на фиг.3 - с n=2 входными фазными выводами U1, V1 и p=2 выходными фазными выводами U2, V2.
Согласно изобретению, в каждое последовательное соединение, т.е. как упомянуто выше, в соответствующее соединение между выходным U2, V2, W2 и входным U1, V1, W1 фазными выводами, через соответствующий коммутационный элемент 2 включена по меньшей мере одна индуктивность 3. Индуктивность 3 в каждом последовательном соединении, т.е. в каждой цепи между входным U1, V1, W1 и выходным U2, V2, W2 фазными выводами, обеспечивает предпочтительно регулирование напряжения посредством коммутационных элементов 2 таким образом, что может быть достигнуто непрерывное прохождение тока от входного фазного вывода U1, V1, W1 к выходному фазному выводу U2, V2, W2, благодаря чему возможно активное регулирование тока посредством соответствующей цепи. Кроме того, с предложенным прямым преобразователем 1 возможен почти любой требующийся обмен электрической энергией между отдельными цепями.
Предпочтительно каждый коммутационный элемент 2 содержит четыре соединенных по типу мостовой схемы управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателя с управляемым однонаправленным токоведущим устройством и включенный параллельно мостовой схеме силовых полупроводниковых выключателей емкостный аккумулятор энергии. Возможны также двухполюсные коммутационные элементы 2, выполненные в виде многоуровневых схем и способные переключать по меньшей мере одно положительное и по меньшей мере одно отрицательное напряжения между полюсами.
Управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель с управляемым однонаправленным токоведущим устройством выполнен, в частности, в виде запираемого тиристора (GTO - Gate Turn-Off Thyristor) или в виде запираемого тиристора с интегрированным блоком управлением (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor) соответственно со встречно-параллельно включенным диодом. Возможно также выполнение управляемого силового полупроводникового выключателя, например, в виде силового полевого МОП-транзистора с дополнительно встречно-параллельно включенным диодом или в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) с дополнительно встречно-параллельно включенным диодом. Посредством уже упомянутого выше произвольного обмена электрической энергией между отдельными цепями и, тем самым, между отдельными коммутационными элементами 2 в прямом преобразователе 1, который должен быть способен передавать большие количества электрической энергии, емкостные аккумуляторы энергии коммутационных элементов могут быть рассчитаны предпочтительно небольшими, следствием чего являются значительная экономия места и заметное сокращение затрат по сравнению с известными прямыми преобразователями. Системы с такими прямыми преобразователями могут за счет этого занимать небольшую площадь и быть соответственно недорогими.
В одном, для ясности не показанном варианте прямого преобразователя в каждое последовательное соединение включен по меньшей мере один дополнительный двухполюсный коммутационный элемент 2 для переключения по меньшей мере одного положительного и по меньшей мере одного отрицательного напряжения между полюсами, в результате чего коммутируемое напряжение, т.е. несущая способность по напряжению, может быть предпочтительно повышено по всему последовательному соединению между входным U1, V1, W1 и выходным U2, V2, W2 фазными выводами.
Возможно также, чтобы параллельно каждому коммутационному элементу 2 был включен по меньшей мере один дополнительный двухполюсный коммутационный элемент 2, выполненный, например, так, как это описано выше, для переключения по меньшей мере одного положительного и по меньшей мере одного отрицательного напряжения между полюсами. Это позволяет достичь предпочтительно более высокого тока, т.е. повышенной несущей способности по току, по всему последовательному соединению между входным U1, V1, W1 и выходным U2, V2, W2 фазными выводами. Возможно также, чтобы параллельно каждой последовательной схеме коммутационного элемента 2 по меньшей мере с одной индуктивностью 3 была включена по меньшей мере одна дополнительная последовательная схема двухполюсного коммутационного элемента 2 по меньшей мере с одной дополнительной индуктивностью 3 для переключения по меньшей мере одного положительного и по меньшей мере одного отрицательного напряжения между полюсами.
Для защиты коммутационного элемента 2 в случае неисправности параллельно каждому коммутационному элементу 2 может быть включен короткозамыкающий элемент.
Варианты предложенной системы изображены на фиг.4-16 и ниже описаны подробно, причем на фиг.4-8, 10, 13, 14 в качестве примера изображена система для связи трехфазной электрической сети 5 переменного напряжения с двухфазной электрической сетью переменного напряжения, например, для связи железнодорожной контактной сети, а на фиг.9, 11, 12, 15, 16 - в качестве примера система для связи трехфазной электрической сети 5 переменного напряжения с электрической нагрузкой, например вращающейся электрической машиной. В системе с описанным выше прямым преобразователем 1 его входные фазные выводы U1, V1, W1 подключены через трансформатор 4 к электрической сети 5 переменного напряжения, как это показано в качестве примера на фиг.4, 7-10, 13, 14. В качестве альтернативы этому по меньшей мере один входной фазный вывод U1, V1, W1 подключен к электрической сети переменного напряжения через дроссель 6 ограничения входного тока утечки, как это показано в качестве примера на фиг.5, 6, 14-16. Если входной фазный вывод U1, V1, W1 заземлен, то можно предпочтительно отказаться от дросселя 6. Соответствующий дроссель 6 ограничивает возможный в случае утечки большой ток на входной стороне, защищая, тем самым, прямой преобразователь 1 от повреждения или разрушения. На фиг.11 и 12, например для эксплуатации вращающейся электрической машины возможно также, чтобы входные фазные выводы U1, V1, W1 были соединены непосредственно с электрической сетью 5 переменного напряжения. Таким образом, конструкция предложенной системы в целом очень проста в реализации.
В качестве опции по меньшей мере к одному выходному фазному выводу U2, V2, W2 прямого преобразователя 1 подключен дроссель 7 ограничения выходного тока утечки, как это в качестве примера изображено на фиг.4-8, 10, 13, 14. Если выходной фазный вывод U2, V2, W2 заземлен, то можно предпочтительно отказаться от дросселя 7. Соответствующий дроссель 7 ограничивает возможный в случае утечки большой ток на выходной стороне, защищая, тем самым, прямой преобразователь 1 от повреждения или разрушения.
На фиг.7 возможно, чтобы с дросселем 7 был соединен и заземлен RC-фильтр 8, образованный последовательной цепью из резистора R и емкости C, чтобы достичь ограничения градиента du/dt напряжения, действующего на изоляцию (трансформатор, кабели).
g
На фиг.8 и 9 также каждый входной фазный вывод U1, V1, W1 может быть соединен с соответствующим фильтром фронта 9, образованным последовательной цепью из резистора R и емкости C, причем фильтры фронта 9 соединены тогда между собой, а точка соединения заземлена через заземляющий резистор R. Такой фильтр фронта служит также для ограничения градиента du/dt напряжения, воздействующего на изоляцию (трансформатор, кабели). В качестве опции точка соединения фильтров фронта 9 соединена с заземлением RC-фильтра 8 для связи обоих фильтров 8, 9.
Кроме того, по меньшей мере к одному входному фазному выводу U1, V1, W1 подключено зарядное устройство, изображенное на фиг.11, 12. В случае если по меньшей мере к одному входному фазному выводу U1, V1, W1 подключен дроссель 6 ограничения входного тока утечки, как это упоминалось выше, также возможно, чтобы к дросселю 6 было подключено зарядное устройство 10. Кроме того, такое зарядное устройство 10 может быть подключено также к дросселю 7, как это показано на фиг.10. В случае если по меньшей мере к одному выходному фазному выводу U2, V2, W2 подключен дроссель 7, также возможно, чтобы к дросселю 7 было подключено зарядное устройство 10. Как правило, зарядное устройство 10 служит предпочтительно для зарядки емкостных аккумуляторов энергии коммутационных элементов 2. Зарядное устройство 10 состоит из делителя среднего напряжения, однофазного, возможно регулируемого, зарядного трансформатора, который из подходящего вспомогательного напряжения вырабатывает необходимое зарядное напряжение, и устройства для ограничения зарядного тока (задатчик переменного тока или зарядный резистор) на любой стороне зарядного трансформатора. Возможно также, чтобы на одно зарядное устройство 10 приходилось несколько прямых преобразователей 1. Каждый из них через собственный делитель соединен с зарядным устройством, и заряжаемый прямой преобразователь 1 соединяется с зарядным устройством 10 за счет замыкания соответствующего делителя.
В системе может быть предусмотрен также по меньшей мере один дополнительный прямой преобразователь 11, причем он выполнен аналогично прямому преобразователю 1, число n его входных фазных выводов U1, V1, W1 соответствует числу n входных фазных выводов U1, V1, W1 прямого преобразователя 1, а число p его выходных фазных выводов U2, V2, W2 - числу p выходных фазных выводов U2, V2, W2 прямого преобразователя 1. Предпочтительно каждый дополнительный прямой преобразователь 11 входными U1, V1, W1 и выходными U2, V2, W2 фазными выводами подключен параллельно с прямым преобразователем 1 к его входным U1, V1, W1 и выходным U2, V2, W2 фазным выводам, как это показано в качестве примера на фиг.13 и 15. В зависимости от применения может быть целесообразным, чтобы каждый прямой преобразователь 11 на фиг.14 был параллельно соединен с прямым преобразователем 1. Также возможно соединение дополнительного прямого преобразователя 11 с прямым преобразователем 1 на выходной стороне через электрическую нагрузку, например через обмотки вращающейся электрической машины, как это показано в качестве примера на фиг.16.
Перечень ссылочных позиций
1 - прямой преобразователь
2 - коммутационный элемент
3 - индуктивность
4 - трансформатор
5 - электрическая сеть переменного напряжения
6 - дроссель ограничения входного тока утечки
7 - дроссель ограничения выходного тока утечки
8 - RC-фильтр
9 - фильтр фронта
10 - зарядное устройство
11 - дополнительные прямые преобразователи