многоуровневый активный фильтр

Формула изобретения

1. Многофазный активный фильтр, содержащий совокупность фаз, причем каждая фаза содержит совокупность силовых элементов, электрически соединенных последовательно, в котором каждая фаза имеет первый конец и второй конец, причем первые концы всех фаз электрически соединены друг с другом, и вторые концы всех фаз располагаются так, чтобы быть электрически подключенными между источником питания и нагрузкой в точке общего подключения, в котором каждый силовой элемент содержит инвертор, имеющий пару клемм постоянного тока, фильтрующее устройство, которое электрические подключено между клеммами постоянного ток инвертора, и энерговыделяющую схему, которая электрически подключена между клеммами постоянного тока инвертора.

2. Фильтр по п.1, в котором силовые элементы фильтруют гармонический ток, генерируемый нагрузкой.

3. Фильтр по п.1, в котором каждый инвертор содержит либо инвертор, выполненный по схеме Н-моста, либо однофазный инвертор с заземленной нейтралью.

4. Фильтр по п.1, в котором фильтрующее устройство содержит, по меньшей мере, один конденсатор, электрически подсоединенный параллельно инвертору.

5. Фильтр по п.1, дополнительно содержащий центральный контроллер, который гарантирует, что напряжение постоянного тока поступает на каждый инвертор за счет регулировки перетока мощности, в котором каждый силовой элемент самостоятельно регулирует свое напряжение постоянного тока с использованием своей энерговыделяющей схемы.

6. Фильтр по п.1, дополнительно содержащий схему предварительной зарядки.

7. Фильтр по п.6, в котором каждая схема предварительной зарядки содержит первый контактор, первый дроссель и второй дроссель, электрически соединенные последовательно так, что второй дроссель находится между первым дросселем и вторым контактором, и второй контактор, электрически подключенный параллельно первому контактору и второму дросселю, в котором первый контактор замыкается для подачи энергии на силовые элементы, второй контактор замыкается, когда силовые элементы заряжены до номинального напряжения постоянного тока, и первый контактор размыкается после замыкания второго контактора.

8. Фильтр по п.7, дополнительно содержащий контроллер, который отслеживает напряжение на каждом силовом элементе и активирует или деактивирует первый контактор и второй контактор на основании данных, полученных в ходе слежения.

9. Фильтр по п.1, в котором энерговыделяющая схема содержит транзистор и резистор, и в котором транзистор шунтирует инвертор через резистор, чтобы вызвать выделение энергии на резисторе.

10. Фильтр по п.9, дополнительно содержащий схему управления для каждого элемента, которая активирует транзистор элемента и самостоятельно регулирует напряжение на элементе.

11. Многофазный активный фильтр, содержащий совокупность фаз, причем каждая фаза содержит совокупность силовых элементов, электрически соединенных последовательно, и центральный контроллер, причем каждая фаза имеет первый конец и второй конец, причем первые концы всех фаз электрически соединены друг с другом, и вторые концы всех фаз располагаются так, чтобы быть электрически подключенными между источником питания и нагрузкой в точке общего подключения, в котором каждый силовой элемент содержит инвертор, имеющий пару клемм постоянного тока, выпрямитель, электрически подключенный между клеммами постоянного тока, и конденсатор, который электрически подключен между клеммами постоянного тока, в котором каждый выпрямитель получает мощность из набора специализированных трехфазных вторичных обмоток трансформатора и упомянутый центральный контроллер содержит устройство, которое масштабирует и фильтрует сигнал с точки общего подключения, и регулятор, который принимает отфильтрованные сигналы и обеспечивает выходные сигналы в один или более компараторов широтно-импульсной модуляции.

12. Фильтр по п.11, в котором трансформатор является внешним по отношению к фильтру и имеет вольтамперный номинал, который меньше вольтамперного номинала фильтра.

13. Фильтр по п.12, в котором номинал трансформатора составляет около 5% или менее от вольтамперного номинала фильтра.

14. Многофазный активный фильтр, содержащий совокупность силовых элементов, электрически соединенных в трехфазной конфигурации, схему предварительной зарядки, и контроллер, который регулирует напряжение, подаваемое из совокупности силовых элементов, в котором каждый силовой элемент содержит инвертор, имеющий пару клемм постоянного тока, по меньшей мере, один конденсатор электрически соединен параллельно инвертору, и энерговыделяющую схему, которая электрически подключена параллельно инвертору, в котором энерговыделяющая схема каждого силового элемента самостоятельно регулирует напряжение постоянного тока на элементе, причем упомянутая схема предварительной зарядки содержит первый контактор, первый дроссель и второй дроссель, электрически соединенные последовательно так, что второй дроссель находится между первым дросселем и первым контактором, и второй контактор, электрически подключенный параллельно первому контактору и второму дросселю, в котором первый контактор замыкается для подачи энергии на силовые элементы, второй контактор замыкается, когда силовые элементы заряжены до номинального напряжения постоянного тока, и первый контактор размыкается после замыкания второго контактора.

15. Фильтр по п.14, в котором силовые элементы фильтруют гармонический ток, генерируемый нагрузкой.

16. Фильтр по п.14, в котором каждый инвертор содержит либо инвертор, выполненный по схеме Н-моста, либо однофазный инвертор с заземленной нейтралью.

17. Фильтр по п.14, дополнительно содержащий точку общего подключения, которая электрически соединяет выход схемы предварительной зарядки, источник питания и нагрузку.

18. Фильтр по п.14, дополнительно содержащий контроллер, который отслеживает напряжение на каждом силовом элементе и активирует или деактивирует первый контактор и второй контактор на основании данных, полученных в ходе слежения.

Описание изобретения к патенту

Ссылки на родственные заявки

Данная заявка притязает на приоритет и включает посредством ссылки в полном объеме находящуюся на рассмотрении предварительную патентную заявку США № 60/681621, под названием "Multi-level active filter for medium voltage applications", поданную 17 мая 2005 г.

Предпосылки изобретения

Активный фильтр - это устройство, изменяющее амплитудную и/или фазовую характеристики сигнала относительно частоты и включающее в себя усилительное устройство для усиления сигнала на относительно низких частотах. Активный фильтр может электрически располагаться между источником питания и нагрузкой и может помогать смягчать проблемы качества мощности, обусловленные гармоническими токами и низким коэффициентом мощности.

В настоящее время имеются решения активного фильтра для промышленного применения на низких номинальных напряжениях (т.е. не превышающих 690 вольт). Однако существующие решения для активных фильтров на уровнях напряжения свыше 1000 вольт имеют ряд недостатков. Например, попытки обеспечить гибридный активный фильтр, который включает в себя инвертор, рассчитанный на малую долю напряжения сети, требуют больших конденсаторов и дорогостоящих магнитных компонентов, и такие системы аккумулируют фиксированный уровень опережающей реактивной мощности (измеряемый в вар), что снижает коэффициент мощности при средних и низких нагрузках.

Использование каскадированных или последовательно соединенных инверторов для компенсации основной реактивной мощности (или вар) известно. Однако предложенные до сих пор схемы не вполне пригодны. Другие попытки использования последовательно соединенных инверторов предусматривают работу в режиме прямоугольной волны для снижения потерь в инверторах. Однако в таких системах число гармоник, которые можно скомпенсировать, ограничивается количеством последовательно соединенных инверторов, поскольку более высокие гармоники требуют большего количества инверторов.

Соответственно, желательно обеспечить усовершенствованный фильтр для применений промежуточного напряжения.

Сущность изобретения

Согласно варианту осуществления многофазный активный фильтр включает в себя, по меньшей мере, три фазы. Каждая фаза включает в себя группу силовых элементов, электрически соединенных последовательно. Каждая фаза имеет первый конец и второй конец. Первые концы всех фаз электрически соединены друг с другом, и вторые концы всех фаз располагаются так, чтобы быть электрически подключенными между источником питания и нагрузкой в точке общего подключения. Каждый силовой элемент включает в себя инвертор, имеющий пару клемм постоянного тока, и энерговыделяющую схему, которая электрически подключена между клеммами постоянного тока инвертора. Силовые элементы могут фильтровать гармонический и реактивный ток, генерируемый нагрузкой.

В некоторых вариантах осуществления каждый инвертор представляет собой либо инвертор, выполненный по схеме Н-моста, либо однофазный инвертор с заземленной нейтралью. Каждый элемент также может включать в себя, по меньшей мере, один конденсатор электрически соединен параллельно инвертору. Центральный контроллер может гарантировать, что напряжение постоянного тока поступает на каждый инвертор, за счет регулировки перетока мощности, благодаря чему каждый силовой элемент самостоятельно регулирует свое напряжение постоянного тока с использованием своей энерговыделяющей схемы.

В некоторых вариантах осуществления фильтр может включать в себя схему предварительной зарядки. Предварительная зарядка может включать в себя первый контактор, первый дроссель и второй дроссель, электрически соединенные последовательно так, что первый дроссель находится между первым дросселем и вторым дросселем. Схема предварительной зарядки также может включать в себя второй контактор, электрически подключенный параллельно между первым контактором и первым дросселем. Первый контактор замыкается для подачи энергии на силовые элементы, второй контактор замыкается, когда силовые элементы заряжены до номинального напряжения постоянного тока, и первый контактор размыкается после замыкания второго контактора.

В некоторых вариантах осуществления фильтр включает в себя контроллер, который отслеживает напряжение на каждом силовом элементе и активирует или деактивирует первый контактор и второй контактор на основании данных, полученных в ходе слежения. В некоторых вариантах осуществления, энерговыделяющая схема включает в себя транзистор и резистор, и транзистор шунтирует инвертор через резистор, чтобы вызвать выделение энергии на резисторе. Каждый элемент может иметь схему управления, которая активирует транзистор элемента и самостоятельно регулирует напряжение на элементе.

В альтернативном варианте осуществления многофазный активный фильтр включает в себя, по меньшей мере, три фазы, причем каждая фаза включает в себя совокупность силовых элементов, электрически соединенных последовательно. Каждая фаза имеет первый конец и второй конец, причем первые концы всех фаз электрически соединены друг с другом, и вторые концы всех фаз располагаются так, чтобы быть электрически подключенными между источником питания и нагрузкой в точке общего подключения. Каждый силовой элемент включает в себя инвертор, имеющий пару клемм постоянного тока, выпрямитель, электрически подключенный между клеммами постоянного тока, и конденсатор, который электрически подключен между клеммами постоянного тока. Каждый выпрямитель получает мощность из набора специализированных трехфазных вторичных обмоток трансформатора. Трансформатор является внешним по отношению к фильтру и может иметь вольт-амперный номинал, который меньше вольт-амперного номинала фильтра. Центральный контроллер может вызывать переток мощности из активного фильтра.

Подробное описание чертежей

Аспекты, признаки, выгоды и преимущества настоящего изобретения явствуют из нижеследующего описания и прилагаемых чертежей, в которых:

фиг.1 - принципиальная схема иллюстративного инвертора, выполненного по схеме Н-моста,

фиг.2 - принципиальная схема иллюстративной схемы активного фильтра, электрически подключенной между источником питания и нагрузкой,

фиг.3 - принципиальная схема иллюстративного силового элемента,

фиг.4 - принципиальная схема иллюстративного применения активного фильтра, отвечающего настоящему изобретению,

фиг.5 - принципиальная схема иллюстративной схемы предварительной зарядки,

фиг.6 - иллюстрация тока сети, тока нагрузки и тока активного фильтра из иллюстративной реализации активного фильтра,

фиг.7 - иллюстрация форм волны, показанных на фиг.6, с переключающим компонентом,

фиг.8 - иллюстрация альтернативного активного фильтра, который включает в себя входной трансформатор,

фиг.9 - иллюстрация альтернативной конфигурации силового элемента для активного фильтра, показанного на фиг.8.

Подробное описание

Прежде чем приступить к описанию настоящих способов, систем и материалов, укажем, что раскрытие не ограничивается конкретными описанными способами, системами и материалами, поскольку они могут варьироваться. Следует также понимать, что терминология, используемая в описании, служит исключительно цели описания конкретных версий или вариантов осуществления и не призвана ограничивать объем изобретения. Например, использование термина в этом описании и в прилагаемой формуле изобретения в единственном числе не исключает наличия нескольких упомянутых объектов, если из контекста явно не следует обратное. Если не указано обратно, все используемые здесь технические и научные термины следует понимать в том смысле, в котором их обычно понимают специалисты в данной области техники. Кроме того, ниже приведены определения следующих понятий:

активный фильтр - устройство, изменяющее амплитудную и/или фазовую характеристики сигнала относительно частоты и включающее в себя усилительное устройство для усиления сигнала на относительно низких частотах;

содержащий - включающий в себя, но без ограничения;

контактор - устройство, обеспечивающее электрическое соединение, когда активировано, и размыкающее цепь или иначе не обеспечивающее электрическое соединение, когда деактивировано;

электрически соединенный или электрически подключенный - соединенный таким образом, чтобы иметь возможность переносить электрическую энергию;

конец - в элементе электрической схемы, точка, в которой цепь либо заканчивается, либо подключена к другому элементу;

энерговыделяющая схема - устройство или комбинация устройств, например, но без ограничения, последовательно соединенные транзистор и резистор, которое можно активировать для шунтирования инвертора или другого устройства и выделения энергии на резистивном элементе шунтирующей цепи;

инвертор, выполненный по схеме Н-моста, - схема для управления перетоком мощности между схемами переменного тока и постоянного тока, имеющая четыре транзистора и четыре диода. Согласно фиг.1 инвертор, выполненный по схеме Н-моста, обычно включает в себя первое плечо 111 фазы и второе плечо 112 фазы. Каждое плечо фазы электрически подключено параллельно к источнику питания 122. Каждое плечо включает в себя две комбинации транзистор/диод (например, 113/114 и 115/116), соединенные последовательно. В каждой комбинации диод 114 электрически подключен между базой и эмиттером транзистора. Нагрузка 121 электрически подключена к каждому плечу между соответствующими комбинациями транзистор/диод плеч;

коэффициент нелинейного искажения - сигнал мощности переменного тока, отношение суммы мощностей всех гармоник над и/или под основной частотой тока к мощности тока I основной частоты;

дроссель - устройство, которое приобретает электрический заряд, когда располагается вблизи заряженного тела;

инвертор - устройство, преобразующее мощность постоянного тока в мощность переменного тока или мощность переменного тока в мощность постоянного тока;

промежуточное напряжение - номинальное напряжение свыше 690 вольт (В) и менее 69 киловольт (кВ). В некоторых вариантах осуществления промежуточное напряжение может представлять собой напряжение от около 1000 В до около 69 кВ;

параллельное соединение - размещение электрических устройств, при котором все положительные полюсы, электроды и клеммы электрически подключены друг к другу и все отрицательные полюсы, электроды и клеммы электрически подключены друг к другу;

фаза - часть схемы, электрические характеристики которой отличаются от соответствующих характеристик другой части схемы;

точка общего подключения - место или участок, где несколько устройств электрически подключены друг к другу;

номинальная мощность - для мотора это электрическая мощность, подаваемая на мотор для его нормальной работы на номинальной скорости, обычно выражаемая в ваттах; для трансформатора, выпрямителя или инвертора, номинальная мощность, выражаемая в единицах реактивной мощности, например вольт x ампер (В·А);

реактивный ток - мера векторной и/или мнимой составляющей переменного тока, неспособной производить работу;

вторичная обмотка - проволочная катушка, входящая в состав трансформатора, предназначенная для приема переносимой энергии, индуцируемой переменным током, текущей по первичной обмотке, входящей в состав трансформатора;

самостоятельная регуляция - для инвертора или силового элемента, возможность включаться и отключаться для регулировки внутреннего напряжения с использованием локального управления;

последовательное соединение - размещение элементов электрической схемы, при котором весь ток течет через каждый элемент без ответвления;

по существу - по большей части или в большой степени.

В различных вариантах осуществления активный фильтр использует топологию широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при промежуточном напряжении для смягчения проблем качества мощности, обусловленных гармоническими токами или низким коэффициентом мощности. Согласно фиг.2 источник питания 230 переменного тока, например электрическая сеть или другой источник питания, подает трехфазную мощность при промежуточном напряжении на нагрузку 240 по линиям вывода 231, 232 и 233.

Каждая линия вывода электрически подключена к фазе нагрузки 240 в точке подключения 210, 211 и 212. Одна из трех фаз соединенных последовательно силовых элементов также подключена к каждой линии вывода. Например, линия 231 вывода фазы может быть последовательно соединена с силовыми элементами 241, 244, 247 и 250. Аналогично, линия 232 вывода фазы может быть последовательно соединена с силовыми элементами 242, 245, 248 и 251. Аналогично, линия 233 вывода фазы может быть последовательно соединена с силовыми элементами 243, 246, 249 и 252. В данном варианте осуществления предпочтительно, чтобы линии вывода и ответвления 231, 232 и 233 питания элементов были соединены звездой 234 с плавающей нейтралью.

Заметим, что количество элементов на фазу, изображенное на фиг.2, является иллюстративным, и в различных вариантах осуществления можно использовать больше или меньше четырех элементов на фазу. Например, в одном варианте осуществления, применимом к моторам с индуктивной нагрузкой, рассчитанным на 2300 вольт переменного тока (~2300 В), три силовых элемента можно использовать для каждой из трех линий вывода фазы. В другом варианте осуществления, применимом к моторам с индуктивной нагрузкой, рассчитанным на ~4160 В, пять силовых элементов можно использовать для каждой из трех линий вывода фазы. Такой вариант осуществления может иметь одиннадцать состояний напряжения, которые могут включать в себя приблизительно +/-3000 вольт постоянного тока, +/-2400 В, +/-1800 В, +/-1200 В, +/-600 В и нуль В.

Трехфазную нелинейную нагрузку 240 можно присоединить к отводам питания или вывода 231, 232 и 233. Благодаря такому подключению нагрузки 240 нагрузка подключается к выводу инвертора на одном конце каждой последовательности силовых элементов, а другой конец каждой последовательности силовых элементов служит плавающей нейтралью при соединении звездой 254. Нелинейная нагрузка 240 может служить источником гармонического тока в условиях отсутствия фильтрации. Силовые элементы 241-249 в такой конфигурации могут активно фильтровать гармонические составляющие, поступающие от источника 230 на нагрузку 240.

На фиг.3 показана схема иллюстративного силового элемента. Согласно фиг.3 каждый силовой элемент 300 может включать в себя инвертор 310, выполненный по схеме Н-моста, содержащий четыре комбинации транзистор/диод для генерации выходного напряжения переменного тока. В других вариантах осуществления вместо инвертора, выполненного по схеме Н-моста, можно использовать другие инверторы, например однофазный инвертор с заземленной нейтралью (NPC) или другой преобразователь постоянного тока в однофазный переменный ток. Каждый элемент также может включать в себя конденсатор или конденсаторную батарею 320, электрически подключенный(ую) параллельно (т.е. между клеммами постоянного тока) к инвертору 310 для обеспечения фильтрации высокочастотных составляющих и аккумуляции энергии. Кроме того, каждый элемент может включать в себя энерговыделяющую схему 330, электрически подключенную параллельно инвертору, выполненному по схеме Н-моста. Энерговыделяющая схема 330 может включать в себя транзистор 331, например биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) или полевой МОП-транзистор (MOSFET) или коммутированный тиристор со встроенным затвором (IGCT), и резистор 332, которые помогают регулировать напряжение шины постоянного тока на силовом элементе. Энерговыделяющую схему 330, например прерыватель или другое устройство, можно активировать для выделения энергии на резистивном элементе 332. Схема 340 локального управления для каждого элемента получает команды от системы 340 центрального управления по оптоволоконной линии связи, каналу связи, беспроводному каналу связи или посредством другой(го) сети или устройства 345 связи для выдачи стробирующих сигналов на инверторные устройства. Транзистор 331 энерговыделяющей схемы действует под управлением схемы 340 локального управления, которая пытается поддерживать напряжение постоянного тока на конденсаторе 320 на заранее определенном уровне. Схема 340 локального управления может представлять собой любую схему, способную активировать и деактивировать энерговыделяющую схему, например комбинацию стабилитрон/резистор. Однако схема 340 локального управления не ограничивается этой функцией или комбинацией, и возможны другие функции и схемные элементы.

Согласно фиг.2 активный фильтр имеет систему центрального управления, которая выдает команды на каждый силовой элемент через локальные контроллеры. Система центрального управления использует измеренные ток нагрузки и напряжение на точке общего подключения (PCC) для определения стробирующих команд инверторных устройств. На фиг.4 показана иллюстративная схема, в которой активный фильтр, отвечающий настоящему изобретению, можно реализовать с системой управления. Согласно фиг.4 активный фильтр 220 подключен между источником питания 230 переменного тока и нагрузкой 240. Согласно фиг.4 иллюстративная нагрузка включает в себя 6-импульсный выпрямитель с конденсатором постоянного тока и источник постоянного тока. Малый дроссель 410 линии переменного тока призван управлять гармониками в токе нагрузки i_L. Схема управления 400 описана ниже. Можно использовать и другие схемы управления.

Задачей в примере, показанном на фиг.4, является управление током активного фильтра (i_f) для подавления всех или, по существу, всех гармонических составляющих тока нагрузки (=i_L,har). Поэтому напряжение, генерируемое активным фильтром, выражается в виде

v_f=v _cc+i_fZ_f=v_cc+(i_L -i_L1)Z_f (1)

где

i_f=i_L,har=i_L-i_L1 и Z_f= L_f (2)

В вышеприведенных уравнениях Z_f - это импеданс индуктивности активного фильтра, i_L1 - это основная составляющая тока нагрузки, и v _cc - это напряжение на точке общего подключения 415 (соответствующей 210, 211 и 212 на фиг.2). Управление активным фильтром базируется на уравнении (1). Схема управления требует измерения управляющего тока (i_L), тока активного фильтра (i_f) и напряжения на точке общего подключения (v_cc). Узкополосный режекторный фильтр 420 вырезает основную составляющую из измеренного тока нагрузки. К выходу узкополосного режекторного фильтра, с использованием устройства 422, прибавляется основная составляющая тока, сдвинутая по фазе на 180° относительно напряжения на PCC. Эта основная составляющая представляет малую величину мощности, которую необходимо поглощать, чтобы гарантировать, что напряжение постоянного тока на каждом силовом элементе находится на заранее определенном уровне или превышает его. Сумма этих двух сигналов, выхода узкополосного режекторного фильтра и основной составляющей, сравнивается компаратором 425 с измеренным током активного фильтра для получения погрешности тока, которая поступает на пропорционально-дифференциальный (PD) регулятор 430. Прямая связь для блока управления 450 активного фильтра обеспечивается с использованием (a) одного или нескольких устройств 440 для масштабирования и фильтрации напряжения PCC, и (b) одного или нескольких устройств 445 для дифференцирования гармонического сигнала тока нагрузки и умножения его на известное значение индуктивности фильтра (L_f). Сумма выхода регулятора 430 и сигналов прямой связи образует опорный сигнал напряжения, поступающий на компараторы на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) системы управления 450. Компараторы ШИМ преобразуют команды трехфазного напряжения в сдвинутые по фазе стробирующие сигналы для каждого силового элемента, в результате чего выходное напряжение имеет множественные выходные уровни.

Описанный здесь иллюстративный блок центрального управления предписывает силовым элементам поглощать малую величину активной мощности, чтобы снять с себя обременительную задачу регулировки напряжения постоянного тока на каждом силовом элементе. Вместо этого система центрального управления регулирует переток мощности в активный фильтр, гарантируя, что напряжение постоянного тока распределяется между силовыми элементами/инверторами. Активная мощность, поглощаемая каждым силовым элементом, вызывает повышение напряжения постоянного тока сверх заранее определенного уровня напряжения, которое воспринимают локальные контроллеры отдельных элементов. Эти локальные контроллеры управляют транзистором энерговыделяющей схемы для снижения напряжения постоянного тока, тем самым поддерживая его почти постоянное значение. Таким образом, системе центрального управления остается только посылать на силовые элементы стробирующие команды для всех инверторных устройств.

Согласно фиг.2 активный фильтр может включать в себя один или несколько необязательных дросселей 255, 256 и 257 на каждой фазе и схему 260 предварительной зарядки на выходе инвертора 220. Схема 260 предварительной зарядки может способствовать ограничению пускового тока при включении питания. На фиг.5 показана иллюстративная схема предварительной зарядки, которая может присутствовать на каждой фазе. Согласно фиг.5 схема предварительной зарядки может включать в себя первый дроссель 255, служащий фильтром, и второй дроссель 510, соединенный последовательно с первым дросселем 255. Первый контактор 520 электрически соединен последовательно со вторым дросселем 510, и второй контактор 530 электрически соединен параллельно с комбинацией второй дроссель/первый контактор.

Второй дроссель 510 может ограничивать ток предварительной зарядки и обычно имеет большую индуктивность, в некоторых вариантах осуществления в семь раз больше, чем первый дроссель 555. В некоторых вариантах осуществления, где желательны ограничения по размерам, первый дроссель 555 и второй дроссель 510 могут включать в себя единый сердечник, причем первый дроссель 255 имеет меньше витков, чем второй дроссель 510. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления во втором дросселе 510 можно использовать провод меньшего калибра для своих витков, чем в первом дросселе 255, поскольку второй дроссель 510 можно использовать в течение относительно коротких периодов времени.

Последовательность операций схемы предварительной зарядки может включать в себя: (1) замыкание первого контактора 520; (2) когда напряжение на клеммах инвертора достигает максимума и все силовые элементы заряжены до номинального напряжения постоянного тока, замыкание второго контактора 530; (3) после подтверждения, что второй контактор 530 замкнут, размыкание первого контактора 520; и (4) после подтверждения, что первый контактор разомкнут, последовательность предварительной зарядки завершена.

Система управления может отслеживать напряжения на силовых элементах и активировать контакторы в соответствии с вышеприведенной последовательностью. Система управления может размещаться в инверторе или отдельно от инвертора, при этом локальные устройства мониторинга сообщаются с оборудованием дистанционного управления через сеть связи.

Примеры

В порядке примера, активный фильтр может включать в себя всего девять элементов (по три на фазу), каждый из которых имеет напряжение шины постоянного тока 1150 В. В такой конфигурации общее максимально допустимое напряжение постоянного тока фильтра может составлять 4,88 кВ. На фиг.6 показаны иллюстративные формы волны тока 610 сети, тока 620 нагрузки и тока 630 активного фильтра. В этом примере суммарное значение коэффициента нелинейных искажений (THD) тока сети равно 4,6%, и среднеквадратическое значение тока активного фильтра равно 109 A. Коэффициент искажений тока нагрузки, равный 62%, представляет максимальный коэффициент искажений тока нагрузки, который этот иллюстративный активный фильтр может компенсировать, поддерживая THD тока сети, не превышающий 5%. На фиг.7 показаны формы волны выходного напряжения 710 активного фильтра и напряжения 720 дросселя для этого примера.

В альтернативном варианте осуществления, показанном на фиг.8, конфигурация, сходная с показанной на фиг.2, также включает в себя трансформатор 800, имеющий первичную обмотку 801, которая показана в конфигурации звезды, но, в необязательном порядке, может иметь конфигурацию треугольника, и совокупность вторичных обмоток 805-816. Активный фильтр будет иметь номинальную способность переносить реактивную мощность, выраженную, например, вольт-амперным (VA) номиналом. Согласно описанным здесь вариантам осуществления VA-номинал трансформатора 800 не обязан быть таким же, как у активного фильтра, и фактически он может быть относительно низким по сравнению с активным фильтром. В некоторых вариантах осуществления трансформатор может иметь VA-номинал, составляющий менее 100% номинала активного фильтра. Например, номинал трансформатора может составлять менее 75%, менее 50% или менее 40% номинала активного фильтра. Для снижения стоимости номинал трансформатора может быть относительно малым по сравнению с номиналом активного фильтра. Например, номинал трансформатора может составлять менее 20% номинала активного фильтра, менее 10% номинала активного фильтра или от около 1% до около 5% номинала активного фильтра. Однако не обязательно, чтобы во всех вариантах осуществления номинал трансформатора был меньше, чем у фильтра.

Каждая вторичная обмотка трансформатора электрически соединена с силовым элементом, а в остальном конфигурация инвертора аналогична показанной на фиг.2, за исключением того, что блок предварительной зарядки не требуется, что описано более подробно ниже. Различные варианты такой конфигурации описаны, например, в столбцах 4-6 патента США № 5625545, раскрытие которого включено сюда посредством ссылки. В такой конфигурации согласно фиг.9 каждый силовой элемент 900 может включать в себя инвертор 902, выполненный по схеме Н-моста, конденсатор или конденсаторную батарею 904, электрически подключенный(-ую) параллельно (т.е. между клеммами постоянного тока) к инвертору 902, выполненный по схеме Н-моста, и входной выпрямитель 906, имеющий относительно низкий номинал, например примерно такой же номинал, как у трансформатора. В этом варианте осуществления трансформатор 800 с низким VA-номиналом может действовать как устройство предварительной зарядки для силовых элементов, что позволяет избавиться от необходимости в дополнительных компонентах для осуществления предварительной зарядки. Каждый силовой элемент электрически соединен с набором специализированных трехфазных вторичных обмоток трансформатора для приема мощности на входе 910 силового элемента. В некоторых вариантах осуществления номинальные мощности выпрямителей каждого элемента могут быть, по существу, низкими для удовлетворения требованиям потерь системы активного фильтра и требованиям распределения напряжения. Например, выпрямитель имеет VA-номинал, составляющий менее 100% номинала соответствующего силового элемента. Например, выпрямитель может иметь номинал, составляющий менее 75%, менее 50% или менее 40% номинала его элемента. В необязательном порядке, номинал выпрямителя может составлять менее 20%, менее 10% или от около 1% до около 5% номинала соответствующего силового элемента. Однако не обязательно, чтобы во всех вариантах осуществления номинал выпрямителя был меньше, чем у соответствующего элемента.

Управление для такой конфигурации может осуществляться аналогично показанному на фиг.4, с одной лишь разницей, что активный фильтр должен обеспечивать сдвиг фазы основной составляющей тока. Основная составляющая тока из устройства 422 может быть такой, что активная мощность будет выводиться из каждого инвертора, заставляя диодные выпрямители в каждом силовом элементе проводить ток и, таким образом, поддерживать, по существу, равные напряжения постоянного тока. Таким образом, даже в этом втором варианте осуществления системе центрального управления (850 на фиг.8) может быть не нужно поддерживать напряжения на отдельных элементах, но он может косвенно управлять элементами посредством перетока мощности от каждого инвертора.

Следует понимать, что возможны многочисленные вариации, модификации и дополнительные варианты осуществления, и, соответственно, все подобные вариации, модификации и варианты осуществления должны отвечать сущности и объему этой заявки. Например, вне зависимости от содержания любой части этой заявки, если явно не указано обратное, например посредством прямого определения, нет необходимости во включении в формулу изобретения никакой конкретной описанной или проиллюстрированной характеристики.