Электронное устройство для преобразования электрической энергии - RU2182741C2

Чертежи

Показать все 13 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к электронным устройствам для преобразования электрической энергии, подобным описанному в заявке на патент FR-2 679 715 А1 и к установке питания, в которой они используются.

Описанный в этой заявке на патент преобразователь изображен в качестве примера на фиг.1. В основном он содержит включенные между источником напряжения SE и источником тока С множество управляемых коммутирующих ячеек CL1, CL2...,CLn, каждая из которых имеет два прерывателя Т1, T'1; T2, Т'2...; Tn, Т'n, причем полюса одного из каждых двух прерывателей образуют верхнюю пару полюсов, а другие полюса каждых двух прерывателей образуют нижнюю пару полюсов; нижняя пара полюсов верхней ячейки соединена с верхней парой полюсов нижней ячейки, а верхняя пара полюсов первой ячейки CL1 соединена с упомянутым источником тока С, в то время как нижняя пара полюсов последней ячейки CLn соединена с указанным источником напряжения SE, причем этот преобразователь содержит также конденсатор C1, C2..., Сn для каждой ячейки, за исключением только конденсатора последней ячейки, который может быть изъят в случае, когда указанный источник напряжения SE может выполнять его функцию, причем конденсатор включен между двумя полюсами нижней пары полюсов ячейки, а также средства управления (не показаны), управляющие работой преобразователя, посредством воздействия на переключатели последовательных ячеек таким образом, чтобы оба переключателя одной и той же ячейки находились бы всегда соответственно в противоположных состояниях проводимости (это проиллюстрировано посредством показанных на чертеже связей управления) таким образом, чтобы в ответ на сигнал управления ячейки, поданный указанными средствами управления, один из двух прерывателей одной и той же ячейки находился бы последовательно в первом состоянии проводимости, а затем во втором состоянии проводимости в течение одного циклически повторяющегося периода отключения преобразователя и таким образом, чтобы в ответ на сигналы управления идентичных ячеек, смещенные во времени на часть указанного периода отключения преобразователя, прерыватели последовательно расположенных ячеек функционировали бы одинаковым образом со смещением во времени на указанную часть периода.

Предпочтительно, чтобы указанная часть периода равнялась обратной величине количества n ячеек, или 2π/n, что является оптимальной величиной с учетом гармоник, генерируемых на выходе, и позволяет обеспечить естественное выравнивание напряжений заряда конденсаторов преобразователя. Однако может быть предусмотрено другое смещение, а также различные взаимные смещения для различных каскадов.

В таком преобразователе последовательно расположенные конденсаторы C1, C2. . ., Сn имеют средние напряжения заряда, которые относительно постоянны, причем среднее напряжение заряда конденсатора, соединенного с каждой из указанных ячеек, равно произведению напряжения VE, поступившего от указанного источника напряжения SE, обратной величины количества ячеек преобразователя и номера ячейки, т.е. VE/3, 2VE/3, VE когда n=3, т.е. когда преобразователь имеет только три ячейки.

Конечно, вышеуказанное условие применимо и для других значений n, при условии, что число ячеек, по меньшей мере, превышает две, в частности три, ячейки.

В нижеследующем описании, вышеописанный преобразователь будет называться многоуровневым преобразователем.

Задачей настоящего изобретения является создание в таком многоуровневом преобразователе условий, при которых заряд каждого конденсатора оставался бы соответствующим вышеуказанным требованиям независимо от неизбежных отклонений от номинальных условий работы.

Для пояснения способа, согласно которому должен определяться заряд одного из конденсаторов многоуровневого преобразователя, приведена схема на фиг. 2, на которой изображена коммутирующая ячейка CLk с прерывателями Тк, Т'к, конденсатор Ck, соединенный с этой ячейкой, а также следующая ячейка CLk+1 с прерывателями Tk+1, T'k+1.

Учитывая связь между прерывателями каждой ячейки, Tk, T'k; Tk+1, T'k+1, блок, состоящий из двух ячеек, представленный на фиг.2, имеет четыре состояния:
a) первое состояние, при котором Tk и Tk+1 блокированы, а зарядное напряжение Ck не изменяется;
b) второе состояние, при котором Tk и Tk+1 находятся в проводящем состоянии, а зарядное напряжение Ck не изменяется также, потому что T'k и T'k+1 блокированы;
c) третье состояние, при котором Tk находится в проводящем состоянии, а Tk+1 блокирован; источник тока С подает ток Ik, равный току I, протекающему через Tk, в то время как ток I'k через T'k равен нулю. Состояние Tk+1 соответствует току Ik+1, равному нулю, в то время как ток I'k+1 равен 1, тогда как ток I'ck в конденсаторе Ck равен 1;
d) четвертое состояние, при котором Tk блокирован, а Tk+1 находится в проводящем состоянии; источник тока С подает ток I'k, равный 1, через T'k+1, в то время как ток Ik через Tk равен нулю. Состояние Tk+1 соответствует току Ik+1, равному 1, в то время как ток I'k+1 равен нулю, тогда как ток Ick в конденсаторе Ck равен 1.

Токи 1'ck= 1'k+1 и 1ck= 1k+1 подают на конденсатор Ck противоположные дополнительные заряды в третьем и четвертом состояниях, указанных выше. Пусть первые являются отрицательными, а вторые положительными. Токи, соответствующие этим двум состояниям, подаются от источника тока. Если источник тока является строго постоянным, то, при прочих равных условиях, токи, подаваемые источником тока в состояниях (с) и (d), одинаковы по величине и противоположны по направлению в любой момент в течение интервалов времени, соответствующих состоянию проводимости Tk и Tk+1 (номинально равны и смещены во времени, как указано выше). В результате этого заряд Ck, измененный сначала отрицательно, а затем положительно на одинаковую величину, не изменяется в течение одного периода отключения преобразователя.

В идеальной системе (совершенный источник тока, бесконечное полное внутреннее сопротивление), токи Ick и I'ck определяются источником тока. Более конкретно, когда полное внутреннее сопротивление источника тока не является бесконечным, ток источника тока зависит от напряжения на его выводах и, следовательно, от напряжений Vck конденсаторов. В случае, если напряжение заряда Vck будет, например, слишком высоким относительно номинальной величины VE.k/n, независимо от причины, в результате этого ток разряда I'ck будет стремиться к увеличению, а ток заряда 1ck будет стремиться к уменьшению по сравнению с номинальными величинами, что вызовет необходимость заряда конденсатора Ck. Это объясняет то обстоятельство, что работа многоуровневого преобразователя является стабильной и допускает изменения амплитуды в двух направлениях, как со стороны источника напряжения, так и со стороны источника тока. Однако это вызывает проблемы с точки зрения динамики.

Фиг. 3 иллюстрирует работу многоуровневого преобразователя, выполненного согласно фиг.1 и 2, при n=3. В этом случае применяется управление в виде широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для подачи на источник тока С переменного синусоидально модулированного напряжения, т.е. когда в течение последовательных периодов р1, р2, р3... работы преобразователя (линия t) прерыватели T1, T2, Т3 последовательно находятся в проводящем состоянии в течение интервалов времени, которые изменяются согласно модулирующему колебанию выходного напряжения. Соответствующие прерыватели Т'1, Т'2, Т'3 находятся в противоположном состоянии.

Конечно, существуют и другие хорошо известные способы модуляции прерывателей, обеспечивающие получение того же результата. Преобразователь может также использоваться для подачи на источник тока С колебания любой другой формы или регулируемого постоянного напряжения.

Во время периода р1 функционирования преобразователя, когда один из прерывателей T1, T2, Т3 находится в проводящем состоянии, два других блокированы. Для каждого блока, состоящего из двух ячеек и включенного между ними конденсатора, это соответствует вышеописанным состоянием (с) и (d), при которых конденсатор получает последовательно дополнительные отрицательные заряды и дополнительные положительные заряды, общая величина которых равна номинально нулю. Кроме того, следует отметить, что когда наложенные друг на друга ячейки CL1-CL2 находятся в состоянии (d), то наложенные друг на друга ячейки CL2-CL3 находятся в состоянии (с) таким образом, что конденсатор С1 получает дополнительные положительные заряды посредством того же самого тока, который подает дополнительные отрицательные заряды на конденсатор С2.

Фиг. 3 также иллюстрирует функционирование многоуровневого преобразователя в течение периодов р2, р3 и т.д., во время которых время проводящего состояния прерывателей T1, T2, Т3 уменьшается, а затем увеличивается до величины, превышающей 1/3 периода, перекрывая таким образом друг друга. Диаграмма VI изображает напряжение, переданное от источника тока в идеальном случае, в частности в случае, когда конденсаторы имели бы такую емкость, при которой рассматриваемые дополнительные заряды не изменяли бы существенно напряжение на их выводах. Напряжение на диаграммах VI выражается в частях напряжения VE источника напряжения SE. При этом отрицательный полюс источника напряжения SE принимается в качестве источника напряжения. Понятно, что это напряжение VI содержит, с одной стороны, значительную составляющую на частоте модулирующего колебания, а с другой стороны, гармоники существенно меньших амплитуд на частотах, превышающих частоту выключения, или частоту работы преобразователя, которые можно легко устранить с помощью фильтра нижних частот. Вследствие того что этот ток изменяется, то его интегрирование посредством индуктивного элемента, содержащегося в источнике тока, приводит к тому, что преобразователь подает на источник тока переменный синусоидальный ток, период которого равен периоду основной составляющей выходного напряжения.

При синусоидальном изменении тока в рассмотренных выше состояниях (с) и (d) дополнительные равные заряды не поступают на конденсаторы преобразователя, так как в промежутке между этими двумя состояниями ток будет иметь время для изменения. Это изменение может не учитываться только в случае, когда период работы прерывателей явно превышает период частоты модуляции.

Однако следует учитывать тот факт, что переменный ток, подаваемый на источник тока, не будет строго синусоидальным, а скорее будет асимметричной формы. Кроме того, отклонения уровней в сигналах управления или в сигналах, используемых для их формирования, или различия во времени коммутации для различных прерывателей, по которым проходит ток, неизбежно приведут к возникновению неравных длительностей состояний проводимости прерывателей в период работы преобразователя, к сдвигу фазы состояний проводимости прерывателей или вызовут нарушение равенства токов заряда и разряда прерывателей. Вследствие этого на практике нельзя гарантировать в рассматриваемом многоуровневом преобразователе соблюдение номинальных условий работы, упомянутых выше. Отклонения в величине дополнительного заряда приведут к отклонениям в одном или в другом направлении заряда конденсатора, т.е. его среднего напряжения заряда, или к искажению с частотой функционирования преобразователя напряжения, подаваемого на источник тока.

Этот эффект проиллюстрирован с помощью диаграммы VI' на фиг.3, которая похожа на диаграмму VI, за исключением того, что предполагается, что конденсатор С1 (фиг. 1) заряжен до напряжения, которое слабее, чем номинальное напряжение заряда, и вместо того, чтобы подавать импульсы vi1, vi2, vi3 с постоянной амплитудой, преобразователь подает импульсы vi1' с уменьшенной амплитудой (для лучшего понимания масштаб увеличен), когда конденсатор С1 подает на источник С соответствующее напряжение заряда, и импульсы vi2' с увеличенной амплитудой, когда конденсатор С1 вычитает свое собственное напряжение из напряжения, которое подается на источник тока С, и импульсы vi3' с неизменной амплитудой в случае, когда конденсатор С1 выключен из цепи. Очевидно, что это вносит в сигнал V1' составляющую помехи на указанной частоте отключения преобразователя.

Такая составляющая помехи не существует в случае, когда конденсаторы заряжены соответствующим номинальным напряжением. В случае, когда она возникает, она является вредной для работы.

Однако особенно напряжения, которые приложены к прерывателям, не будут больше существенно равны разнице номинальных напряжений заряда двух смежных конденсаторов, т.е. величине напряжения источника напряжения, разделенной на число каскадов преобразователя. Это может создать опасность повреждения этих прерывателей.

Конечно, как уже было упомянуто, эти отклонения заряда конденсаторов имеют тенденцию самопроизвольно устраняться, но этот процесс требует времени.

Этот самопроизвольный процесс осуществляется через источник тока. Однако он замедляется, когда ток источника тока уменьшается.

Исходя из этих установленных фактов, в настоящем изобретении предлагается многоуровневый преобразователь, в котором лучше обеспечивается сохранение номинальной величины среднего заряда конденсаторов преобразователя.

С учетом приведенного выше определения многоуровневого преобразователя следует отметить, что для обеспечения номинальной работы преобразователя предусматривается, чтобы каждая из его различных ступеней осуществляла один и тот же цикл работы, в период отключения преобразователя или в период отключения, но со смещением во времени на часть этого периода, которая предпочтительно равна 2π/n, где 2π - период отключения преобразователя, n - количество каскадов. В соответствии с фиг.3, в течение периода выключения преобразователя (р1, р2, р3...), каскады преобразователя формируют равные доли напряжения (vi1, vi2, vi3), суммирование которых обеспечивает постоянную величину. Иначе говоря, выходной сигнал определяется на основании периода отключения преобразователя, который разделен на количество каскадов.

В случае, когда для осуществления прерывателей используются элементы высокой мощности, которые обладают относительно высокой инерционностью, например, такие элементы, как GTO, то период отключения преобразователя является относительно продолжительным, следствием чего является относительно длительная постоянная времени при реагировании на любую внезапную команду изменения функционирования преобразователя. Настоящее изобретение обеспечивает уменьшение такой постоянной времени.

Согласно изобретению многоуровневый преобразователь содержит дополнительные средства управления, выполненные таким образом, чтобы они могли изменять по команде положение во времени указанного первого состояния проводимости одной или нескольких ячеек.

Согласно первому варианту выполнения изобретения указанное изменение положения во времени первого состояния проводимости одной или нескольких ячеек осуществляется посредством опережения или же замедления этого первого состояния проводимости без изменения в порядке работы ячеек преобразователя.

Такое выполнение позволяет посредством изменения положения во времени указанного первого состояния проводимости одной или нескольких ячеек осуществить изменение напряжения, подаваемого на указанный источник тока, т.е. не только изменение энергии, перенесенной на источник тока, но и позволяет осуществить соответствующее изменение тока источника тока и, следовательно, изменение заряда одного или нескольких конденсаторов, осуществляемое посредством этого изменения тока.

Согласно второму варианту выполнения изобретения указанное изменение положения во времени указанного первого состояния проводимости одной или нескольких ячеек включает изменение порядка работы ячеек преобразователя в течение периода отключения преобразователя для того, чтобы перегруппировать работу каскадов преобразователя, проявляющих отклонения заряда в одном и том же направлении.

Такое изменение способствует возникновению полной составляющей помехи, в которой отклонения одного направления усиливаются и это увеличивает эффективность процесса самопроизвольного устранения отклонений заряда конденсаторов преобразователя.

Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения уравновешивающий заряд включается параллельно к указанному источнику тока в виде последовательного резонансного контура, настроенного на частоту выключения преобразователя, для того, чтобы увеличить результирующий ток для упомянутой полной составляющей помехи.

Предпочтительно, чтобы многоуровневый преобразователь содержал средства для того, чтобы определять для каждого из указанных конденсаторов вероятное отклонение определенного среднего напряжения заряда от номинального среднего напряжения заряда этого конденсатора, а также дополнительные средства управления, которые изменяют во времени положение указанного первого состояния проводимости одной или нескольких ячеек преобразователя в таком направлении, чтобы указанное определенное отклонение уменьшилось.

Согласно одному из вариантов осуществления, соответствующего вышеуказанному первому варианту выполнения изобретения, многоуровневый преобразователь содержит средства, предназначенные для того, чтобы определить для каждого из указанных конденсаторов вероятное отклонение определенного среднего напряжения заряда от номинального среднего напряжения заряда этого конденсатора, а также дополнительное устройство управления, которое изменяет во времени положение указанного первого состояния проводимости ячейки преобразователя, которая содержит этот конденсатор, в таком направлении, чтобы указанное определенное отклонение было уменьшено.

Согласно этому варианту осуществления указанные средства, определяющие отклонение, содержат средства для получения величины напряжения источника напряжения, номера каскада и количества каскадов, для определения, с учетом этих данных, номинального напряжения заряда каждого конденсатора в течение периода работы преобразователя, причем указанное отклонение для каждого конденсатора преобразователя определяется с помощью средств сравнения, которые вычитают указанное определенное среднее напряжение из указанного номинального напряжения заряда этого конденсатора.

Предпочтительно указанное определенное среднее напряжение конденсатора обеспечивается средствами определения напряжения, содержащими схему вольтметра, включенную между двумя выводами конденсатора.

В качестве варианта выполнения, указанное определенное среднее напряжение одного конденсатора вырабатывается средствами определения напряжения, которые содержат схему вольтметра, включенную между двумя выводами прерывателя ячейки, содержащей этот конденсатор.

Согласно другому варианту выполнения изобретения указанные средства определения напряжения на выводах конденсатора содержат схему вольтметра, включенную между двумя выводами источника тока.

Согласно предпочтительному варианту необходимо, чтобы каждое из указанных дополнительных устройств управления получало бы, кроме сигнала об отклонении, измеренную величину тока, выдаваемого указанным источником тока, и константу, выражающую емкость одного из указанных конденсаторов, который соединен с этим устройством, для вычисления, на основании этих данных, изменения во времени положения указанного первого состояния проводимости ячейки, соединенной с этим конденсатором, для обеспечения дополнительного заряда этого конденсатора для осуществления компенсации указанного отклонения заряда.

Также предпочтительно, что каждое из указанных дополнительных устройств управления получает модулирующий сигнал и модулирует на основании этого сигнала длительность указанного первого состояния проводимости ячейки, соединенной с этим конденсатором, таким образом, чтобы все указанные дополнительные устройства управления работали одинаково, чтобы указанный источник тока получал бы среднее модулированное напряжение по указанному модулирующему сигналу.

Наконец, предпочтительно, что каждое из указанных дополнительных устройств управления получает от соседнего дополнительного устройства управления сигнал изменения, установленный в этом последнем устройстве и определяющий изменение, вносимое этим соседним дополнительным устройством управления в указанное положение во времени первого состояния проводимости соединенной с ним ячейки, для обеспечения рассматриваемым указанным дополнительным устройством управления изменения, соответственно указанным данным положения во времени первого состояния проводимости ячейки, в направлении, в котором для конденсатора, соединенного с этой последней ячейкой, компенсируется эффект указанного изменения, внесенного в соседнюю ячейку.

Согласно дополнительному варианту каждое из указанных дополнительных устройств управления получает, кроме указанного сигнала об отклонении, измеренную величину тока, вырабатываемого источником тока, и константу, выражающую емкость одного из указанных конденсаторов, который соединен с ним, а также команду на изменение работы преобразователя, для определения, исходя из этих данных, изменения во времени положения первого состояния проводимости ячейки, соединенной с этим конденсатором, таким образом, чтобы это изменение вызвало бы на выводах указанного источника тока изменение среднего напряжения, соответствующее указанной команде.

В дальнейшем преимущества и характеристики настоящего изобретения поясняются в нижеследующем описании вариантов выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
фиг.1 - принципиальная схема известного многоуровневого преобразователя;
фиг. 2 - принципиальная схема двух каскадов многоуровневого преобразователя, изображенного на фиг.1;
фиг.3 - диаграммы сигналов, иллюстрирующие работу многоуровневого преобразователя, представленного на фиг.1 и 2, в случае, когда он содержит три каскада;
фиг.4 - принципиальная схема средств управления многоуровневого преобразователя, изображенного на фиг. 1, 2 и 3, выполненных в соответствии с изобретением;
фиг.5 - кривые, иллюстрирующие осуществление изобретения согласно условиям, представленным на фиг.4, и относящиеся к одной ячейке многоуровневого преобразователя, такой, какая изображена на фиг.2, для поддержания среднего заряда конденсаторов преобразователя,
фиг. 6 - принципиальная схема средств для определения напряжения заряда, предназначенных для использования в устройстве, изображенном на фиг.4,
фиг.7 - принципиальная схема варианта выполнения части средств, представленных на фиг. 4, для случая, когда среднее напряжение заряда каждого из многоуровневых преобразователей вычислено из величины напряжения на выводах каждого из прерывателей, находящихся в открытом положении,
фиг. 8 - кривые, идентичные кривым, представленным на фиг.5, которые иллюстрируют осуществление изобретения для условий, представленных на фиг.4, в применении к одной ячейке многоуровневого преобразователя, такой, как показано на фиг.2, для уменьшения постоянной времени преобразователя,
фиг. 9 - аналогична фиг.4 и изображает принципиальную схему средств управления многоуровневого преобразователя по фиг.1, 2 и 3, соответствующих изобретению, с устройством централизованного управления;
фиг. 10 - аналогична фиг.5 и иллюстрирует импульсы, формируемые семикаскадным преобразователем в случае, когда в период отключения преобразователя неидентичность заряда конденсаторов обуславливает пульсацию выходного напряжения с удвоенной частотой отключения преобразователя,
фиг. 11 аналогична фиг.10 для случая, когда благодаря изменению режима работы различных каскадов, частота пульсации, обусловленной одними и теми же неидентичностями заряда конденсаторов, равна частоте выключения преобразователя,
фиг.12 - векторное изображение режима работы преобразователя, представленного на фиг.10, показывающее, что результирующее напряжение на частоте выключения преобразователя имеет относительно малую амплитуду,
фиг.13 - векторное изображение режима работы преобразователя, представленного на фиг. 11, показывающее, что благодаря перестановке последовательности работы каскадов преобразователя результирующее напряжение на частоте отключения преобразователя имеет относительно большую амплитуду,
фиг. 14 - схема преобразователя, изображенного на фиг.1, к которому добавлена согласованная нагрузка CR для выравнивания напряжений конденсаторов преобразователя в случае, изображенном на фиг.13.

Схемы, представленные на фиг.1, 2 и 3, соответствуют преобразователю, выполненному согласно патенту FR-2 697 715 A1, в котором приводится более подробное описание.

На фиг. 4 изображены только конденсаторы C1, C2... Сn преобразователя, представленного на фиг.1.

Согласно изобретению к каждому из этих конденсаторов присоединено устройство для определения напряжения VM01, VM02...VM0n, содержащее средства, позволяющие определить среднее напряжение заряда каждого из конденсаторов. Для этой цели это устройство соединено с двумя выводами конденсатора. Оно вырабатывает сигнал оценки VM01, VM02..., VM0n, определяющий величину среднего напряжения заряда на выводах конденсатора.

Согласно изобретению к каждому из конденсаторов также присоединяется устройство определения отклонения VE1, VE2. . . VEn, которое содержит средства, позволяющие установить вероятное отклонение наблюдаемого среднего напряжения, которое он получает от соответствующего определяющего устройства, от номинального среднего напряжения заряда этого конденсатора. Это устройство, устанавливающее отклонение, само вычисляет номинальное среднее напряжение заряда этого конденсатора, которое представляет долю 1/n, где n - количество каскадов преобразователя, напряжения VE источника напряжения SE, умноженную на номер R каскада. Итак, это устройство получает величину VE, в то время как величины n и R, которые являются константами, подаются по кабелям в каждое устройство. Это устройство вычисляет номинальное среднее напряжение заряда VE, R/n и сравнивает его с определенным средним напряжением заряда для того, чтобы получить сигнал об отклонении VEC1, VEC2..., VECn, характеризующий разницу между этими двумя напряжениями.

Этот сигнал об отклонении предназначен для того, чтобы воздействовать на дополнительные средства управления, включенные в модули управления МСС1, МСС2. . ., MCCn. Эти модули управления работают в ответ на пусковые сигналы: sd1, sd2. . . , sdn, которые подаются на них в каждый период такой, как р1 (фиг. 3), генератором развертки ВТ, со смещением, для осуществления управления со смещением коммутирующими ячейками преобразователя. Их основная функция заключается в том, что они должны формировать в течение каждого периода пусковой управляющий импульс, номинальная длительность которого определяется величиной модулирующего сигнала или модулирующей величиной М, поступающего от устройства управления работой DC. Таким образом они формируют управляющие импульсы СТ1, СТ2..., СТn, ширина которых модулируется таким образом, как представлено диаграммами T1, Т2, Т3 на фиг.3. Указанные дополнительные средства модулей управления МСС1, МСС2..., МССn вносят вторично изменение в положение во времени этого импульса, которое зависит от величины сигнала отклонения VEC1, VEC2..., VECn, а также от тока I, вырабатываемого источником тока. Указанные дополнительные средства модулей управления МСС1, МСС2,..., МССn также предпочтительно вносят изменение в положение во времени этого импульса, зависимое от изменения, которое вносится в соответствующий импульс управления соседним модулем управления и который обеспечивается сигналом изменения СМ1, СМ2..., СМn, формируемым каждым из модулей управления МСС1, МСС2. .., МССn. В примере, изображенном на фиг.4, сигнал SM1 формируется модулем управления МСС2, а сигнал SM2 - модулем МСС3 (не изображен). Сигнал SMn для модуля управления МССn представлен для обеспечения единства представления блоков на чертеже. Однако он не существует, так как отсутствует модуль управления МССn+1. Указанные дополнительные средства управления модулей управления МСС1, МСС2..., МССn вносят, наконец, изменение положения во времени этого импульса, которое зависит от сигнала управления СС1, СС2... , ССn, поступающего от устройства управления работой DC, на которое воздействует команда СС, как описано ниже. Полученные в результате сигналы СТ1, СТ2, . . .. СТn управляют состоянием прерывателей в соответствующих коммутирующих ячейках CL1, CL2..., CLn.

Точнее говоря, сигнал отклонения вызовет задержку (или ускорит наступление) состояния "1" соответствующего прерывателя T1, T2..., Тn (см. фиг.1) относительно номинального положения, определенного исходя из положения пускового сигнала sd1, sd2..., sd3. Еще точнее, согласно этому первому варианту выполнения изобретения, такое изменение положения во времени работы каскадов преобразователя будет происходить без изменения порядка, согласно которому каскады преобразователя работают последовательно. Это изменение положения во времени импульса управления прерывателем будет зависеть от отклонения заряда, требующего корректировки, но также от тока в источнике тока 1, измеренного датчиком тока, выполненным известным путем и включенным последовательно с источником тока, а также от емкости конденсатора, которая является константой, подаваемой в дополнительный модуль управления.

Кроме того, оно будет также зависеть от положения во времени для соседнего импульса управления, для осуществления вышеупомянутого условия, при котором конденсатор С1 получает дополнительный положительный заряд посредством того же тока, который обеспечивает дополнительный отрицательный заряд конденсатора С2. Итак, например, опережение импульса управления СТ2, обеспечиваемое коммутатором T2, в результате чего происходит положительный заряд конденсатора С1 и отрицательный заряд конденсатора С2, вызывает дополнительный отрицательный заряд, желательный для конденсатора С2, и одновременно дополнительный положительный заряд, нежелательный для конденсатора С1. Итак, это опережение сообщается модулю управления МСС1 сигналом SM1, который используется для того, чтобы изменять положение во времени сигнала управления СТ1 в таком направлении, чтобы скорректировать вышеупомянутый нежелательный дополнительный положительный заряд (прежде, чем он будет сформирован).

Направление таких корректировок будет изменяться на противоположное в случаях, когда влияние изменений заряда одного конденсатора на другой происходит в другом направлении.

Фиг. 5 иллюстрирует режим работы в вышеописанных условиях. Аналогично примеру режима работы, иллюстрируемому на фиг.3, обозначение VS соответствует напряжению, прикладываемому преобразователем к источнику тока, для которого существуют периоды преобразователей, которые повторяются циклически pс1, pc2..., каждый из которых имеет три импульса, ic1, ic2, ic3, соответственно каждому из каскадов трехкаскадного преобразователя и ограничен соответствующим импульсом управления. Буквами СС обозначен ток в источнике тока и, следовательно, в каскадах преобразователя. Здесь рассматривается случай индуктивного источника тока, в котором ток изменяется медленно под влиянием напряжения, подаваемого на источник тока. Эти изменения на чертеже показаны в увеличенном виде для облегчения понимания.

В левой части чертежа, для периода выключения преобразователя pc1, импульсы ic1, ic2, ic3 расположены в самом начале, в первой трети и во второй трети периода, что соответствует их соответствующим номинальным положениям. В рассматриваемом режиме работы, при котором импульсы короткие и не перекрываются, амплитуда этих импульсов, измеренных на выводах источника тока, например на выходе преобразователя, равна VE/3. Среднее вырабатываемое напряжение, обозначенное пунктирной линией, равно vm. В источнике тока ток ci увеличивается во время импульсов выходного напряжения и уменьшается на интервале между ними, причем его средняя величина сms, изображенная пунктиром, остается постоянной.

В правой части фиг.5, для периода отключения преобразователя рс2, если первый импульс ic1 и третий импульс ic3 сохранили свои соответствующие номинальные положения, то импульс ic2 сформирован с опережением. Поэтому средняя величина выходного напряжения указывает на временное увеличение, обозначенное асm. Ток ci также проявляет временное увеличение асm.

В течение времени, когда прерыватель Т2 (см. фиг.1) находится в проводящем состоянии, это временное увеличение тока увеличивает заряд конденсатора C1 и уменьшает заряд конденсатора С2 по сравнению с формированием тока ci со средним значением сms. Такое воздействие позволяет, таким образом, уменьшить заряд конденсатора С2, который оценивался как чрезмерно высокий.

В рассматриваемом здесь случае, это воздействие было вызвано сигналом об отклонении VEC2, который не равен нулю. Вследствие этого модуль управления МСС2 сместил импульс управления СТ2 таким образом, чтобы вызвать перемещение импульса ic2 для периода рс2. Данное перемещение происходит в таком направлении и с такой амплитудой, что оно значительно уменьшает или даже полностью устраняет отклонение заряда, которое его вызвало.

Также в результате этого воздействия происходит соответствующее увеличение заряда конденсатора С1. Это требует соответствующего корректирующего воздействия на этот конденсатор посредством смещения импульса управления переключателя Т1. Это корректирующее воздействие могло бы осуществляться во время последующего периода работы преобразователя. Согласно предпочтительному варианту выполнения оно вводится в тот же период отключения преобразователя, так как каждый модуль управления получает от соседнего модуля корректирующий сигнал SM1, SM2.., SMn, характеризующий выполненную этим модулем корректировку и позволяющий расположенному перед ним модулю предусмотреть противоположную корректировку, предназначенную для осуществления уравнивания.

Конечно, все то, что было описано и представлено на фиг.5 и описано для случая импульсов управления или импульсов напряжения, сформированных преобразователем, которые относительно коротки и отделены друг от друга, применимо и для случая длинных импульсов таких, которые изображены в правой части на фиг.3.

Кроме того, согласно одному из вариантов выполнения, корректировка отклонения заряда конденсаторов может предусматриваться в централизованном устройстве управления, осуществляющем функции всех модулей управления МСС1, МСС2. . ., МССn. Такое централизованное устройство управления МСС изображено на фиг. 9, однако оно идентичное устройству на фиг.4. В качестве варианта выполнения можно предусмотреть устройство, которое объединяет все модули управления МСС1, МСС2. .., МССn, в которых дополнительно предусматриваются межсоединения и корректирующие средства, которые установлены между модулями и могут таким образом предусмотреть первоначальную корректировку, которую необходимо внести в работу одного или нескольких каскадов преобразователя, а также соответствующие последовательные корректировки.

Согласно простому способу выполнения такое устройство поддерживало бы положение во времени импульса управления, например, первого каскада прерывателей, исправляло бы любое отклонение посредством изменения положения во времени импульсов управления других каскадов, согласно вышеизложенному описанию. Можно также рассмотреть вариант поддержания нормального положения импульсов управления последнего каскада.

Специалисту в данной области техники понятно, что в этих условиях можно, внося таким образом общую корректировку, воздействующую на все каскады, за исключением одного, согласно описанному выше механизму, отрегулировать последнюю команду таким образом, чтобы совокупность корректировок не воздействовала на источник тока, причем среднее напряжение, подаваемое на источник тока, остается постоянным, а изменяется только энергия, потребленная от источника напряжения, посредством увеличения или уменьшения этой потребленной энергии, а затем распределяется по различным каскадам благодаря вышеописанному механизму корректировки.

Таким образом, вышеописанное устройство позволяет модулировать положения во времени импульсов управления прерывателей Tk для того, чтобы среднее напряжение каждого конденсатора Ck было бы в любой момент наиболее близким, насколько это возможно, к номинальному напряжению заряда.

Это номинальное напряжение заряда соответствует части напряжения VE источника напряжения (см. фиг.1), которое зависит от номера к рассматриваемому каскаду.

Среднее напряжение заряда конденсатора определяется, с учетом вышеизложенного, в устройстве наблюдения. VM01, VM02...VMOn или вообще VM0k.

Как показано на фиг.6, это устройство состоит, согласно одному из вариантов осуществления, из полных сопротивлений ptk1 и ptk2, включенных последовательно между выводами конденсатора Ck и подающих определенную часть напряжения на выводах этого конденсатора на аналогоцифровой преобразователь ADCK, формирующий при каждом импульсе fk цифровое значение напряжения, поступающее на схему вычисления средней величины SCk, которая считывается один раз за цикл преобразователя логической схемой PVk, управляемой сигналом qk. Сигналы fk и qk формируются генератором развертки ВТ (фиг.4), и их положение в течение периода работы преобразователя таково, что после m измерений напряжения в период работы преобразователя и вычисления средней величины результатов этого измерения величина среднего наблюдаемого напряжения заряда формируется на выходе Vok цепи SCk, один раз за цикл преобразователя, в удобный момент для определения в модулях управления ММС1, ММС2..., ММСn, изменения, описанного в соответствии с фиг.4, положения во времени состояния проводимости (состояния проводимости прерывателя) соответствующей ячейки.

Понятно, что наблюдаемый средний заряд конденсатора Ck может быть получен с помощью других средств.

Согласно первому варианту выполнения изобретения, приведенному на фиг.7, перед тем как приступить к измерению напряжения на выводах конденсатора Ck, измеряют напряжение VE источника напряжения и напряжение между выводами одного из прерывателей каждой ячейки, для того, чтобы установить посредством вычитания среднее напряжение заряда каждого из конденсаторов многоуровневого преобразователя. Именно таким образом, как представлено на фиг.7, один из переключателей многоуровневого преобразователя, изображенного на фиг.1, Tk, к которому подключена схема определения напряжения V1k, которая может быть выполнена аналогично схеме, представленной на фиг.6, с помощью средств, известных специалисту в данной области техники, и которая формирует сигнал Vk, характеризующий напряжение на выводах прерывателя Tk на вычислитель VCC, одновременно с этим вычислитель получает сигнал управления Vck от этого прерывателя Tk, что позволяет вычислителю учитывать значения, подаваемые схемой определения VIk только в течение периодов, во время которых прерыватель блокирован. Вычислитель получает непосредственно напряжение VE, которое может быть получено также посредством схемы, показанной на фиг.6, и вычисляет посредством вычитания сигналы V01, V02... V0n, изображенные на фиг.4.

Согласно другому варианту выполнения, который легко можно понять из рассмотрения фиг.3, измерение амплитуды импульсов, подаваемых на источник тока 1, представляет напряжение на выводах конденсатора; только одно устройство, такое, как изображено на фиг.6, соединенное с выводами источника тока С и определяющее напряжение в различных точках диаграммы V1 на фиг.3 в течение каждого периода, такого как р1, воспринимает появление уровней vi1, vi2, vi3 от каждого из конденсаторов. Специалист в данной области может легко понять, каким образом можно вычислить сигналы V01, V02. .. V0n согласно фиг.3, представляющих определенный средний заряд каждого конденсатора многоуровневого преобразователя.

На фиг. 4 показано также устройство управления работой dc, которое формирует в ответ на команду СС сигналы управления работой СС1, СС2..., ССn, которые вносят в каждом модуле управления МСС1, МСС2..., МССn изменение положения импульсов управления CT1, CT1..., СТn во времени.

Из рассмотрения фиг.3 понятно, что преобразователь, выполненный согласно изобретению, может сформировать в ответ на модулирующий сигнал М выходное напряжение с синусоидальной формой, подаваемое на источник тока. Конечно, преобразователь, выполненный согласно изобретению, может подавать выходное напряжение различной формы, по крайней мере, в некоторых пределах. Действительно, так, как было изложено в описании со ссылками на фиг.3, согласно номинальному режиму работы преобразователя предусматриваются периоды выключения преобразователя, во время которых каждый из различных каскадов формирует один импульс, причем импульсы этих каскадов расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и имеют одинаковую длительность. Механизм регулировки заряда конденсаторов преобразователя, описанный со ссылками на фиг.5, воздействует на положение импульсов. Влияние этого механизма регулировки на положение импульсов должно быть в общем случае умеренным, а так как на практике получения заряда конденсаторов должно быть медленным и так как это позволяет быстро на него ответить, то поэтому видно, что реакция преобразователя на команду об изменении работы происходит с запазданием, с учетом новой величины модулирующего сигнала М в начале следующего периода отключения преобразователя. Однако это желательно, так как изменение работы в течение периода, сильно удлиняющее, например, импульс vi2, изображенный на фиг. 3, могло бы вызвать сразу неравенство заряда конденсаторов, которое может быть запрещенным для прерывателей.

Итак, изобретение позволяет дополнительно отвечать на команду об изменении работы, не дожидаясь начала последующего периода отключения преобразователя, т.е. быстрее, чем при функционировании согласно вышеописанным случаям, как иллюстрируется на фиг.8.

На фиг.8 показан период отключения преобразователя рс3, который идентичен во всех отношениях периоду отключения преобразователя pс1, изображенному на фиг.3, за которым следует период отключения преобразователя рс4, который начинается так же, как период отключения преобразователя рс2, изображенный на фиг. 3, с импульса ic1, имеющего номинальное положение, причем сигнал управления работой СС1, подаваемый устройством управления работой DC, не действует. Однако после произвольного изменения команды управления СС устройство управления работой не только изменяет модулирующий сигнал М, но также делает активными сигналы СС2..., ССn, т.е. СС2 и СС3, согласно примеру работы, представленному на фиг.8. В случае, изображенном на этом чертеже, сигналы СС2 и СС3 и работа модулей ММС1 - ММСn таковы, что они ускоряют (опережают) во времени на одну и ту же длительность импульсы ic2 и ic3, сформированные для осуществления заряда. В этом случае модули управления не учитывают корректирующие сигналы СМ1, СМ2..., CMn.

Результат воздействия представлен на фиг.8. Среднее напряжение, поданное на выход преобразователя, претерпевает временное увеличение vmc в результате приближения импульсов ic1 и ic2, за которым следует временное ослабление в конце периода точно перед тем, как изменение величины модулирующего сигнала вызовет продолжительное увеличение. Средний ток претерпевает увеличение acs до тех пор, пока он не установится на продолжительное время на увеличенном уровне. В общем, напряжение и ток при заряде увеличиваются, начиная с периода рс4, т.е. не дожидаясь следующего периода отключения. Это обеспечивает выигрыш во времени при реакции на команду на искомое изменение работы.

Приведенный пример предполагает применение многочисленных вариантов выполнения изобретения. Устройство управления DC может содержать программы ответа для порядка изменения работы. Например, каждой характеристике изменения во времени команды управления работой СС могут соответствовать соответствующие смещения импульсов команды, остающейся от периода отключения преобразователя. Действительно, в случае, если преобразователь подает питание на какое-либо приводное устройство, производящее крутящий момент, то в ответе следует учитывать характеристики привода для того, чтобы подать электропитание, которое позволило бы наилучшим образом обеспечить требования команды изменения работы.

Теперь будет рассмотрен второй вариант выполнения изобретения со ссылками на фиг. 10-13. Как уже было подробно описано, осуществляемое по команде изменение положения указанного первого состояния проводимости одной или нескольких ячеек во времени более не ограничивается опережением или задержкой этого первого состояния проводимости без изменения порядка работы ячеек преобразователя. Теперь будет рассмотрен режим изменения порядка работы ячеек преобразователя для облегчения внезапной перерегулировки напряжений заряда конденсаторов. Следует понять, что этот вариант может заменять или же использоваться совместно с вариантом, который заключается в том, что изменяют во времени функционирование каскадов преобразователя, не изменяя порядок работы.

На фиг.10 в увеличенном виде для облегчения понимания явления представлены отклонения импульсов IC1-IC7, поступающих от последовательно расположенных каскадов семикаскадного преобразователя, когда эти импульсы формируются одновременно при работе в соответствии с цифровой нумерацией каскадов преобразователя, аналогично ранее описанным режимам работы. Эти импульсы модулируются отклонениями заряда конденсаторов этих последовательно расположенных каскадов. Как было объяснено ранее, выходное напряжение преобразователя VS является суммой этих равномерно смещенных во времени импульсов. Если бы все они были равны, то выходное напряжение VS было бы постоянным. Для этого случая на фиг. 10 приводится пример, который отличается тем, что в течение периода отключения преобразователя рcе происходит модуляция с двойной рабочей частотой преобразователя (которая обозначена fc и которая является величиной, обратной периоду рcе). Конечно, эта модуляция может быть другой формы и создавать гармоники на частотах, кратным частоте отключения преобразователя fc. В общих чертах, анализ, проведенный посредством разложения в ряд Фурье суммы импульсов напряжений от различных каскадов, выявил, что имеется сумма векторов, имеющих пульсации, кратные пульсациям преобразователя. Как показано на фиг.12, которая относится к первому кратному, т.е. к кратному, соответствующему fc. Сумма этих векторов имеет относительно малую амплитуду, что свидетельствует о том факте, что отклонения напряжений стремятся компенсироваться на частоте fc.

На фиг. 10 изображено напряжение на выводах переключателей нижней части преобразователя, равное Е/7 в номинальной точке, или одной седьмой напряжения Е, подаваемого на переключатель, и напряжение RE, которое является средним напряжением Vs для импульсов с изображенной длительностью, при условии, если все импульсы имели амплитуду Е/7.

На фиг.11 изображены импульсы, представленные на фиг.10, порядок которых был изменен посредством перестановки для того, чтобы перегруппировать работу каскадов преобразователя, имеющих отклонения заряда в одном и том же направлении. Как видно из фиг.11, в результате этого происходит модуляция выходного напряжения Vs колебанием рабочей частоты преобразователя fc.

На фиг.13 изображены векторы, приведенные на фиг.12, порядок которых был изменен посредством перестановки для того, чтобы перегруппировать векторы с близкими модулями. Как следует из фиг.13, в результате получена результирующая Vs2 с амплитудой, увеличенной по сравнению с предыдущим случаем.

Итак, пульсация выходного напряжения Vs, изображенная на фиг.10 и 11, так же, как и наличие вектора VsI или Vs2 на фиг.12 и 13, свидетельствуют о наличии отклонений напряжения, являющихся результатом отклонений заряда конденсаторов преобразователя. Перестановка, выполненная в соответствии с изобретением, представленная на фиг.11 и 13, увеличивает это отклонение напряжения на частоте отключения преобразователя fc. В соответствии с тем, как это напряжение вызывает ток, этот ток будет воздействовать на заряд конденсаторов таким образом, чтобы отклонения заряда, которые его создают, были бы самопроизвольно рассеяны. В соответствии с тем, что перегруппировка заключается в усилении амплитуды выходного отклонения напряжения, это способствует ускорению этого рассеивания и, следовательно, уменьшению отклонений заряда.

Изображенная на фиг.10-13 перестановка может быть легко выполнена посредством соответствующего алгоритма управления, который использует напряжения или отклонения заряда конденсаторов, сравнивая их или же отбирая их в устройстве централизованного управления, показанном на фиг.9.

Результат осуществления указанных мероприятий может быть усилен за счет добавления к преобразователю, изображенному на фиг.1, согласованной нагрузки CR, состоящей из последовательно соединенных индуктивного сопротивления и конденсатора, имеющей почти нулевой импеданс на частоте отключения преобразователя fc. Понятно, что независимо от заряда С согласованная нагрузка CR образует цепь с низким импедансом для тока, обусловленного отклонениями напряжения на частоте отключения преобразователя fc, или же будет способствовать выравниванию напряжения заряда конденсаторов преобразователя.

Из вышеописанного следует, что те же самые способы могут быть использованы для случая составляющих отклонений напряжения на частотах, кратных частоте отключения преобразователя fc. Эти составляющие могут быть представлены векторными диаграммами, аналогичными диаграмме, представленной на фиг. 13. Изобретение может быть использовано и в таком случае, в частности, за счет дополнительной согласованной нагрузки, используемой совместно с нагрузкой CR, изображенной на фиг.14.

Вышеприведенное описание дано в качестве неограничивающих примеров, и в каждом конкретном случае цифровые величины могут быть соответственно изменены.

Реферат

Многоуровневый преобразователь, содержащий один конденсатор (С1, С2,... , Сn) для каждой из его ячеек, а также средства управления, содержащие средства для определения (VM01, VM02,..., VM0n) среднего напряжения на выводах каждого конденсатора (С1, С2,..., Сn), средства (VE1, VE2,..., VЕn), предназначенные для определения для каждого из указанных конденсаторов (С1, С2, . .., Сn) вероятного отклонения определенного среднего напряжения заряда от среднего номинального напряжения заряда этого конденсатора, а также дополнительные средства управления (MCC1, MCC2,..., MCCn), которые изменяют положение во времени сигналов управления преобразователя для уменьшения установленного отклонения, что является техническим результатом. 2 с. и 26 з. п. ф-лы, 14 ил.

Формула