электронное устройство преобразования электрической энергии
Классы МПК: | H02M3/07 с конденсаторами, заряжаемыми и разряжаемыми попеременно с помощью полупроводникового прибора с управляющим электродом |
Автор(ы): | Мейнар Тьерри (FR), Лявьевилль Жан-Поль (FR), Каррер Филипп (FR), Гонзалес Хуан (FR), Бету Оливье (FR) |
Патентообладатель(и): | ГЕЦ АЛЬСТОМ ТРАСПОР С.А. (FR) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-03-06 публикация патента:
10.06.2000 |
Многоступенчатый преобразователь, содержащий преимущественно конденсатор (С1, С2, ... Сn) для каждого из звеньев, а также средства управления, содержащие средства изменения (VMO1, VMO2, ... VMOn) среднего напряжения на выводах каждого конденсатора (С1, С2, ... Сn), средства (VE1, VE2, ... VEn) для фиксации для каждого из вышеперечисленных конденсаторов (С1, С2, ... Сn) возможного отклонения между напряжением среднего изменяющегося заряда и напряжением среднего номинального заряда этого конденсатора, а также дополнительные средства управления (МСС1, МСС2, ... МССn), изменяющие сигналы управления преобразователя в направлении, в котором происходит вышеупомянутое отклонение. Технический результат - повышение точности. 7 з. п. ф-лы, 7 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7
Формула изобретения
1. Многоступенчатый преобразователь, содержащий между источником напряжения (SE) и источником тока (С) последовательность последовательно соединенных коммутационных управляющих звеньев (CL1, CL2, ... CLn), каждое имеющее по два переключателя (T1, T"1; T2, T"2; ... Tn, T"n) с выводом каждого из двух переключателей, входящим в пару входных выводов звена, и с другим выводом каждого из двух переключателей, входящим в пару выходных выводов звена, пара входных выводов первого звена (CL1) соединена с вышеназванным источником тока (С), тогда как пара выходных выводов последнего звена (CLn) соединена с вышеуказанным источником напряжения (SE), преобразователь содержит конденсатор (C1, C2, ... Cn) для каждого звена, кроме последнего, для которого он может быть исключен, а также средства управления, управляющие номинальным функционированием преобразователя, действуя на переключатели последовательных звеньев таким образом, что два переключателя одного и того же звена были всегда соответственно в состояниях противоположного соединения с тем, чтобы в ответ на управляющий сигнал звено (C1, CТ2, ... CТn) действовало от средств управления, один из двух переключателей одного и того же звена находится последовательно в первом состоянии проводимости, затем во втором состоянии проводимости в течение повторяющегося циклически периода, с тем, чтобы в ответ на сигналы управления идентичных звеньев, но смещенные во времени на часть указанного периода, переключатели последовательных звеньев имели соответственно то же функционирование, но смещенное во времени на упомянутую часть периода, последовательные конденсаторы (CI, C2, ... Cn) средние номинальные напряжения заряда соответственно возрастающими, среднее номинальное напряжение заряда каждого из вышеупомянутых звеньев равно произведению выходного напряжения вышеуказанного источника напряжения на ранг звена и на число, обратное числу звеньев, отличающийся тем, что содержит средства изменения (МО1, МО2, . . . VМOn) среднего напряжения на выводах каждого из конденсаторов (C1, C2, ... Cn), средства (VE1, VE2, ... VЕn) для фиксации для каждого из вышеуказанных конденсаторов (C1, C2, ... Cn) возможного отклонения среднего измеряемого напряжения заряда от среднего номинального напряжения заряда этого конденсатора, а также дополнительные средства управления (МСС1, МСС2, ... МССn) изменением продолжительности первого состояния проводимости звена, соединенного с указанным конденсатором в таком направлении, что фиксируемое отклонение должно уменьшаться. 2. Многоступенчатый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждое из вышеназванных средств фиксации отклонения (VE1, VE2, ... VЕn) содержит средства для получения значения напряжения (VE) от источника напряжения (SE), ранга уровня (R) и числа уровней (n), для определения, какое должно быть соответственно напряжение номинального заряда каждого конденсатора в период функционирования преобразователя, причем вышеупомянутое отклонение (VE1, VE2, . . . VЕn) установлено для каждого конденсатора преобразователя средствами сравнения путем вычитания вышеназванного среднего напряжения, измеренного на выводах каждого конденсатора, с вышеупомянутым напряжением номинального заряда. 3. Многоступенчатый преобразователь по п.2, отличающийся тем, что вышеуказанные средства измерения (VM1, VM2, ... VMn) напряжения на выводах каждого конденсатора (CI, C2, ... Cn) содержат схему, измеряющую напряжение (ptk1, ptk2) и подсоединенную между двумя выводами конденсатора. 4. Многоступенчатый преобразователь по п.2, отличающийся тем, что вышеупомянутые средства измерения напряжения на выводах каждого конденсатора содержат схему, измеряющую напряжение (V1K) и подсоединенную между двумя выводами переключателя (Тк) каждого звена и вычислительной схемой (СС), вычисляющей напряжение на выводах каждого конденсатора от напряжения VE источника напряжения и измеренные напряжения на выводах переключателей, подводимые к этому конденсатору от источника напряжения. 5. Многоступенчатый преобразователь по п.2, отличающийся тем, что вышеуказанные средства измерения напряжения на выводах каждого конденсатора содержат схему, измеряющую напряжение, подсоединенную к источнику тока для обнаружения в выходном напряжении возможных отклонений заряда, а также вычислительное устройство, содержащее модель преобразователя и обеспечивающее измерение напряжение на выводах каждого из конденсатора. 6. Многоступенчатый преобразователь по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что каждое из вышеприведенных дополнительных средств управления (МСС1, МСС2, . . . MCCn) получает помимо вышеупомянутого сигнала отклонения (VE1, VE2, ... VЕn), значение тока 1, сформированного вышеназванным источником тока, и постоянную, отражающую емкость одного из конденсаторов, который с ним соединен, и вычисляет в соответствии с изменением продолжительности, свойственной первому состоянию проводимости звена, соединенного с этим конденсатором, так, что она вызывает в этом конденсаторе заряд, компенсирующий указанное отклонение заряда. 7. Многоступенчатый преобразователь, по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что каждое из вышеназванных дополнительных средств управления (МСС1, МСС2, ...МССn) получает помимо вышеупомянутого сигнала отклонения (VE1, VE2, ... VЕn) сигнал модуляции М и изменяет соответственно продолжительность пребывания в первом состоянии проводимости звена, соединенного с этим конденсатором, причем все вышеназванные дополнительные средства управления действуют одинаково, вышеупомянутый источник тока получает среднее напряжение, модулированное в соответствии с указанным сигналом модуляции. 8. Многоступенчатый преобразователь по одному из пп.1 - 7, отличающийся тем, что каждое из вышеназванных дополнительных средств управления (МСС1, МСС2, . . . МССn) получает от соседнего дополнительного средства управления модифицированный сигнал (SM1, SM2, ... SMn), сформированный в этом последнем средстве и определяющий изменение, которое это соседнее дополнительное средство управления привносит в упомянутую продолжительность нахождения в первом состоянии проводимости звена, с ним соединенного, благодаря чему вышеназванное дополнительное средство управления изменяет соответственно указанную продолжительность нахождения в первой проводимости звена, которая ему свойственна, в направлении, которое компенсирует конденсатор, соединенный с этим последним звеном, возмущающее действие которого влияет на соседнее звено.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электронным устройствам преобразования электрической энергии по типу описанного в заявке на французский патент 2679715 A1 и к оборудованию источников питания, обслуживающих потребителей. Преобразователь, описанный в указанной заявке на патент, проиллюстрирован в качестве примера на фиг. 1, приложенной к данному документу. Он содержит, по существу, между источником напряжения SE и источником тока C множество управляющих коммутационных звеньев CL1, CL2, ... CLn, каждое содержащее два переключателя T1, T"1; T2, T"2; ... Tn, T"n с выводом каждого из двух переключателей, входящим в пару входных выводов, и другим выводом каждого из переключателей, входящим в пару выходных выводов, пара выходных выводов входного звена соединена с парой входных выводов последующего звена, пара входных выводов первого звена CL1 соединена с вышеуказанным источником тока C, вследствие чего пара выходных выводов последнего звена CLn соединена с вышеупомянутым источником напряжения SE, этот преобразователь содержит также конденсатор C1, C2, ..., Cn для каждого звена, кроме последнего, он может быть исключен, когда вышеупомянутый источник напряжения SE способен действовать, подключенный между двумя выводами пары выходных выводов этого звена, а также средства управления (не показаны), управляющие номинальной работой данного преобразователя, действуя на переключатели последовательных звеньев таким образом, чтобы два переключателя одного и того же звена были всегда соответственно в состояниях противоположного соединения (это иллюстрируется управляющими связями, указанными на чертеже), с тем чтобы в ответ на управляющий сигнал звено среагировало на эти средства управления, один их двух переключателей одного и того же звена находится последовательно в первом состоянии проводимости, затем во втором состоянии проводимости в течение периода циклически повторяющегося преобразования с тем, чтобы в ответ на сигналы управления идентичными звеньями, но смещенные во времени, на часть указанного периода преобразования переключатели последовательно соединенных звеньев были соответственно в том же положении, но смещенные во времени на вышеупомянутую часть периода. Предпочтительно, чтобы вышеуказанная часть периода была равна числу, обратному числу n звеньев и составляла 2![электронное устройство преобразования электрической энергии, патент № 2150779](/images/patents/321/2150016/960.gif)
a) первое состояние, когда Tk и Tk+1 блокированы, напряжение заряда Ck не изменяется;
b) второе состояние, когда Tk и Tk+1 являются проводниками, напряжение заряда Ck тоже не изменяется, потому что T"k и T"k+1 блокированы;
c) третье состояние, когда Tk является проводником, а Tk+1 блокирован, источник тока C выдает ток Ik, равный 1, через Tk, тогда как ток I"k к T"k равен нулю. Состояние Tk+1, пропускающего ток Ik+1, нулевое, тогда как ток I"k+1 равен 1, благодаря чему ток I"ck в конденсаторе Ck равен 1;
d) четвертое состояние, когда Tk блокирован, а Tk+1 является проводником, источник тока C выдает ток I"k+1, равный 1, через T"k, тогда как ток Ik через Tk нулевой. Состояние Tk+1, пропускающего ток Ik+1, равный 1, тогда как ток I"k+1 нулевой, благодаря чему ток Ick в конденсаторе Ck равен 1. Токи I"ck = I"k+1 и Ick = Ik+1 обеспечивают в конденсаторе Ck заряды взаимно противоположные, в третьем и четвертом состояниях, описанных выше; как указано, первые - отрицательные, а вторые - положительные. Соответствующие токи в этих двух состояниях получены от источника тока. Если источник тока строго постоянный, все элементы равны в это время, токи, полученные от источника тока в фазах c) и d), одинаковы и противоположно направлены в каждый момент в течение интервалов проводимости Tk и Tk+1 (номинально равных и сдвинутых во времени, как показано выше). Это приводит к тому, что заряд Ck, изменяемый отрицательно, а затем положительно в равных значениях, не изменяется в течение периода преобразования. В идеальной системе (источник тока идеальный, сопротивление бесконечное) токи Ick и I"ck определены источником тока. В случае более конкретном, когда сопротивление источника тока не бесконечно, ток источника тока зависит от напряжения на своих клеммах и также напряжений Vck конденсаторов. Если напряжение заряда Vck стало, например, очень высоким относительно номинального значения VE, k/n, которое должно быть ему пропорционально, то в результате получится, что ток разряда I"ck стремится быть более сильным, ток заряда Ick стремится быть более слабым, чем номинальные значения, это приведет к восстановлению заряда конденсатора Ck. Это объясняет, как функционирование многоступенчатого преобразователя становится стабильным и обеспечивающим изменения амплитуды в двух направлениях, как со стороны источника напряжения, так и со стороны источника тока. Далее будет рассмотрено следствие возникающих динамических проблем. Фиг. 3 показывает пример функционирования многоступенчатого преобразователя соответственно фиг. 1 и 2 в случае, когда n = 3; здесь используют управление типа модуляции PWM для того, чтобы подать в источник тока C переменное модулированное синусоидальное напряжение, из чего следует, что в течение последовательных периодов p1, p2, p3... функционирования преобразователя (линия t) переключатели T1, T2, T3 являются последовательными проводниками во время интервалов с длительностью, изменяющейся в соответствии с модуляционной волной выходного напряжения, называемого впоследствии модулированным. Соответствующие переключатели T"1, T"2, T"3 находятся в каждый момент времени в противоположном положении. Разумеется, другие виды модуляции при функционировании переключателей позволяют, как хорошо известно, добиться того же результата, разумеется также, преобразователь способен также хорошо использоваться при подаче на источник тока C совсем другой формы волны или постоянного регулируемого напряжения. Рассмотрим сначала период p1 работы преобразователя. Во время его продолжительности, когда один из переключателей T1, T2, T3 является проводником, двое других отключены; для каждого ансамбля из двух звеньев конденсатор включен между ними, это соответствует состояниям c) и d), описанным выше, в которых конденсатор получает последовательно суммарные положительные заряды, общее число которых формально нулевое. Отмечается, кроме того, что когда черудующиеся звенья CL1 - CL2 находятся в состоянии d), чередующиеся звенья CL2 - CL3 находятся в состоянии c), в итоге конденсатор C1 получает суммарные положительные заряды от того же тока, который вызывает суммарные отрицательные заряды в конденсаторе C2. Фиг. 3 иллюстрирует дополнительно в качестве примера работу многоступенчатого преобразователя в периоды p2, p3 и т.д., в течение которых продолжительности проводимости переключателей T1, T2, T3 уменьшаются, затем увеличиваются до более 1/3 периода, таким образом восстанавливаясь. График V1 представляет собой в идеале, каким будет напряжение, передаваемое в источник тока, в частности, если конденсаторы имеют такую емкость, чтобы рассматриваемые суммарные заряды не изменялись значительно из-за напряжения на их выводах. Напряжение V1 представлено участками напряжения VE источника напряжения SE, принятого в качестве напряжения отрицательного полюса источника напряжения SE. Очевидно, что это напряжение V1 непрерывное, с одной стороны, основное несущее в модулированной частоте, а с другой стороны, амплитудные гармоники более слабые при высоких частотах в частоте разряда, которые могут быть легко выделены низкочастотным фильтром. Этот ток, будучи переменным, накапливается каким-либо индуктивным элементом, содержащимся в источнике тока, управляет в этом преобразователе подачей в источник тока переменного тока синусоидальной формы, период которого равен этому основному выходному напряжению. Ток изменяется синусоидально, состояния c) и d), рассмотренные выше, не представляют суммарные равные заряды в конденсаторах преобразователя, между этими двумя состояниями ток будет иметь переменный временный интервал. Это изменение не будет столь незначительным, если период функционирования переключателей точно определен модулированной частотой. С другой стороны, можно ожидать, что переменный ток, сформированный в источнике тока, не будет строго синусоидальным, а будет изменяться на асимметричный манер. В то же время отклонения уровней в сигналах управления или в полученных сигналах или различное время коммутации между разными переключающимися переключателями делают неизбежным неравные продолжительности соединения переключателей в течение периода функционирования преобразователя или сдвигают во времени фазы соединения переключателей, или же токи заряда и разряда конденсаторов остаются неуравновешенными. По основному методу, следовательно, практически невозможно гарантировать в многоступенчатом преобразователе описанного типа соблюдение номинальных состояний функционирования, таких, чтобы они соответствовали описанным. Итак, длительное отклонение заряда приводит к отклонению в ту или другую сторону заряда конденсатора и, следовательно, среднего напряжения заряда также, как и к искажению в частоте напряжения при работе преобразователя, подаваемого в источник тока. Этот эффект иллюстрируется кривой V1" фиг. 3, которая подобна линии V1, за одним исключением, что конденсатор C1 (фиг. 1) становится заряженным напряжением более слабым, чем номинальное напряжение заряда, вместо того, чтобы формировать импульсы Vi1, Vi2, Vi3 постоянной амплитуды, преобразователь выдает импульсы такие, как Vi1" уменьшенной амплитуды (масштаб увеличен для лучшего понимания), когда конденсатор C1 выдает в источник тока C свое собственное напряжение заряда, и импульсы такие, как Vi2" увеличенной амплитуды, когда конденсатор C1 формирует свое собственное напряжение, которое подается в источник тока C, также, как импульсы такие, как Vi3" неизменной амплитуды, когда конденсатор C1 - вне сети. Легко увидеть, что в сигнале V"1 это вносит возмущающую компоненту в частоту квантования преобразователя. Подобная возмущающая компонента не возникает, когда конденсаторы заряжены своим номинальным соответствующим напряжением. Но, главным образом, напряжения, которые управляют переключателями, не в большой степени зависят от разницы напряжений номинального заряда двух смежных конденсаторов, а зависят от величины напряжения от источника напряжения, разделенной на число уровней преобразования. Это может быть нежелательным для переключателей. Разумеется, с учетом вышеупомянутого отклонения заряда конденсаторов самопроизвольно приводят к их самопоглощению, но этот процесс небыстротечен. С другой стороны, этот самопроизвольный процесс вызывается источником тока. Такое не происходит, когда источник тока не формирует ток, и в любом случае будет слабее, когда ток источника тока невысок. Настоящее изобретение, начиная с этих установленных факторов, предлагает многоступенчатый преобразователь, в котором лучшим образом обеспечивается поддержание среднего заряда каждого из конденсаторов преобразователя в соответствии с номинальным значением. Согласно изобретению многоступенчатый преобразователь содержит средства для фиксации для каждого из вышеупомянутых конденсаторов возможного отклонения среднего измеренного напряжения заряда от номинального среднего напряжения заряда этого конденсатора, а также дополнительные средства управления изменением продолжительности пребывания в первом состоянии проводимости звена, подключенного к конденсатору, в таком направлении, в котором зафиксированное отклонение уменьшается. Согласно одному варианту исполнения изобретения каждое из вышеупомянутых средств фиксации отклонения содержит средства для получения значения напряжения источника напряжения, параметра модуляции, определяющей форму волны напряжения, подаваемого в упомянутый источник тока, ранга уровня и числа уровней, для определения этого нужно иметь соответственно номинальное напряжение заряда каждого конденсатора в период функционирования преобразователя, в котором в таком случае фиксируется отклонение для каждого конденсатора преобразователя средствами сравнения, поддерживающими указанное среднее изменяющееся напряжение на выводах каждого конденсатора, в соответствии с номинальным напряжением заряда конденсаторов. Согласно первому варианту исполнения изобретения вышеуказанные средства измерения напряжения на выводах каждого конденсатора содержат схему, измеряющую напряжение, подсоединенную между двумя выводами конденсатора. Согласно еще одному варианту исполнения вышеуказанные средства измерения напряжения на выводах каждого конденсатора содержат схему, измеряющую напряжение, подсоединенную между двумя выводами переключателя каждого звена. Согласно другому варианту исполнения вышеупомянутые средства измерения напряжения на выводах каждого конденсатора содержат схему, измеряющую напряжение, подсоединенную между двумя выводами источника тока. Предпочтительно, чтобы каждое из вышеуказанных дополнительных средств управления получало, помимо упомянутого сигнала отклонения, значение тока, сформированного указанным источником тока, и постоянную величину, отражающую емкость одного из вышеупомянутых конденсаторов, который к нему подсоединен, и вычисляло соответственно изменение продолжительности первого состояния проводимости звена, соединенного с этим конденсатором, тогда, когда она создает в конденсаторе заряд, компенсирующий вышеуказанное отклонение заряда. Предпочтительно также, когда каждое из вышеуказанных дополнительных средств управления получает сигнал модуляции и изменяет соответственно продолжительность пребывания в первом состоянии проводимости звена, соединенного с этим конденсатором, таким образом, все вышеупомянутые дополнительные средства управления действуют также, вышеуказанный источник тока получает среднее модулированное напряжение благодаря вышеупомянутому сигналу модуляции. Предпочтительно, наконец, когда каждое из вышеупомянутых дополнительных средств управления получает от дополнительного соседнего средства управления сигнал изменения, установленный в последнем из них и определяющий изменение, которое это дополнительное соседнее средство управления вносит в указанную длительность пребывания в первом состоянии проводимости звена, соединенного с ним, чтобы упомянутое рассмотренное дополнительное средство управления изменяло соответственно упомянутую продолжительность пребывания в первом состоянии проводимости звена, которое ему присуще, в одном направлении, которое компенсирует для конденсатора, соединенного с этим последним звеном, явление, при котором изменение привносится в соседнее звено. Различные цели и характеристики представленного изобретения более подробно описаны ниже в качестве примера без ограничений со ссылками на приложенные чертежи, которые представляют:
фиг. 1 - уже описанная, принципиальная схема известного многоступенчатого преобразователя;
фиг. 2 - уже описанная, объединенная схема двух чередующихся уровней многоступенчатого преобразователя на фиг. 1;
фиг. 3 - уже описанные формы волн, описывающих функционирование многоступенчатого преобразователя фиг. 1 и 2 в случае, когда он содержит три уровня;
фиг. 4 - принципиальная схема средства управления многоступенчатого преобразователя по типу фиг. 1, 2 и 3 согласно изобретению;
фиг. 5 - кривые, иллюстрирующие использование изобретения, в соответствии с устройством фиг. 4 применительно к какому-либо звену многоступенчатого преобразователя, такому, как на фиг. 2;
фиг. 6 - принципиальная схема средства, изменяющего напряжение заряда конденсатора, используемого в устройстве на фиг. 4;
фиг. 7 - принципиальная схема варианта части средства фиг. 4, соответствующего случаю, когда среднее напряжение заряда каждого конденсатора многоступенчатого преобразователя зависит от известного напряжения на клеммах каждого из переключателей, когда они открыты. Далее описание многоступенчатого преобразователя повторяться не будет. Схемы фиг. 1, 2 и 3 соответствуют преобразователю, описанному в патенте Франции 2697715 A1, в котором описание дано с более общими деталями. Фиг. 4 представляет не весь преобразователь фиг. 1, а только конденсаторы C1, C2, ... Cn. К каждому их этих конденсаторов подсоединено согласно изобретению устройство измерения VMO1, VMO2, ... VMOn, позволяющее измерять среднее напряжение заряда каждого конденсатора. Для этого устройство соединено с двумя выводами конденсатора. Формируемый сигнал измерения VO1, VO2, ... VOn отражает среднее напряжение заряда, имеющееся на выводах конденсатора. В каждом конденсаторе имеется одинаково соединенное согласно изобретению устройство фиксации отклонения VE1, VE2, ... VEn, обеспечивающее фиксацию измеренного отклонения между средним наблюдаемым напряжением заряда, которое получено соответствующим устройством измерения, и средним номинальным напряжением заряда этого конденсатора. Это устройство фиксации отклонения определяет также среднее номинальное напряжение заряда этого конденсатора, которое является частью 1/n, n представляет число уровней преобразователя, напряжение VE источника напряжения SE, умноженное на ранг R уровня. Это устройство получает в итоге значение VE, тогда как значения n и R, которые являются постоянными, определены в каждом устройстве. Это последнее устройство определяет среднее номинальное напряжение заряда VE
![электронное устройство преобразования электрической энергии, патент № 2150779](/images/patents/321/2150020/183.gif)
Класс H02M3/07 с конденсаторами, заряжаемыми и разряжаемыми попеременно с помощью полупроводникового прибора с управляющим электродом