Устройство преобразования мощности

Устройство преобразования мощности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Это изобретение относится к устройству преобразования мощности для преобразования одной мощности переменного тока (AC) в другую мощность переменного тока и относится, например, к устройству, которое должно применяться в качестве устройства для возбуждения электродвигателя с переменной скоростью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] На фиг. 17 показан пример конфигурации схемы первого традиционного устройства преобразования мощности. Для того, чтобы добиваться вывода высоковольтного напряжения на электродвигатель, присоединенный к выходной клемме, устройство преобразования мощности на фиг. 17 имеет множество однофазных преобразователей, соответствующие AC-клеммы которые последовательно соединены друг с другом. С целью поставки мощности множеству однофазных преобразователей, множество взаимно изолированных источников мощности постоянного тока (DC) сформированы посредством трансформатора, имеющего множество обмоток и множество диодных выпрямителей, и соединены с DC-сегментами однофазных преобразователей. Между тем, с целью подавления гармонического тока на входной стороне, трансформатор реализуется как трансформатор (фазорегулирующий трансформатор), включающий в себя множественные обмотки 3-11, фазы которых сдвинуты друг относительно друга (см., например, патентный документ 1).

[0003] С другой стороны, на фиг. 18, показан пример конфигурации схемы второго традиционного устройства преобразования мощности. Устройство преобразования мощности на фиг. 18 имеет конфигурацию схемы, которая мультиплексирована с помощью множества трехфазных преобразователей, имеющих общее напряжение постоянного тока, и множества трехфазных трансформаторов, в которых вторичные обмотки трансформаторов последовательно соединены в качестве открытых обмоток друг с другом (см., например, патентный документ 2).

[0004] Кроме того, на фиг. 19, показан пример конфигурации схемы третьего традиционного устройства преобразования мощности. В устройстве преобразования мощности на фиг. 19 каждый из однофазных трансформаторов соединен на своей первичной обмотке с другим из однофазных трансформаторов параллельно-последовательным образом, и последовательные концы соединены с входными клеммами, в то время как ячейка преобразователя, имеющая однофазный мостовой преобразователь/инвертор, которая сконфигурирована, как показано на фиг. 20, с ветвями, которые могут выводить двухуровневое напряжение, соединена со вторичной обмоткой каждого из однофазных трансформаторов. Выходная AC-клемма каждого инвертора соединена с выходной AC-клеммой каждого другого инвертора параллельно-последовательным образом (см., например, патентный документ 3).

СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ССЫЛОК

ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

[0005] Патентный документ 1: Патент США № 5625545 (фиг. 1).

Патентный документ 2: Японский патент № 3019655 (фиг. 1).

Патентный документ 3: Выложенная японская патентная заявка № 2009-106081 (фиг. 1, фиг. 2)

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В первом устройстве преобразования мощности на фиг. 17, с целью подавления гармонического тока на входной стороне, требуется трансформатор (фазорегулирующий трансформатор), включающий в себя множество обмоток, фазы которых взаимно сдвинуты. Поскольку этот вид трансформатора является структурно сложным, существует проблема большого размера и высокой стоимости. Дополнительно, также существует недостаток в том, что поток мощности ограничен в одном направлении посредством диодных выпрямителей.

[0007] Дополнительно, во втором устройстве преобразования мощности на фиг. 18, поскольку трансформаторы используются на выходной стороне, предполагается, что, когда электродвигатель или аналогичная нагрузка, которая требует изменения напряжения, присоединена на выходной стороне, его работа может быть ограничена вследствие вероятности магнитного насыщения трансформатора. В частности, рассматривается такой случай, когда устройство преобразования мощности не может выводить низкочастотное напряжение. Между тем, для того, чтобы формировать общий источник мощности постоянного тока, рассматривается такая конфигурация самокоммутирующегося преобразователя или т.п., которая использует диодные выпрямители и переключающие элементы; однако, в случае формирования источника мощности постоянного тока из источника мощности высокого напряжения, возникает проблема в том, что становится необходимым дополнительный трансформатор, в частности, фазорегулирующий трансформатор с целью уменьшения гармонического тока.

[0008] Кроме того, в третьем устройстве преобразования мощности на фиг. 19, поскольку используются самокоммутирующиеся преобразователи, предоставляется возможность двухстороннего потока мощности, тогда как, поскольку используются однофазные трансформаторы, число трансформаторов увеличивается. Дополнительно, поскольку однофазные трансформаторы соединены напрямую последовательно, существует вероятность того, что напряжение первичной обмотки трансформатора в достаточной степени не делится по напряжению, когда напряжение не выводится преобразователем. В патентном документе 3 присутствует утверждение о том, что трехфазный трансформатор с сердечником с пятью ветвями используется вместо однофазного трансформатора. Однако, даже если используется сердечник с пятью ветвями, поскольку площади сечения сердечника четвертой и пятой ветвей, на которых не предусмотрены обмотки, являются ограниченными, существует опасение, что возникает магнитное насыщение, если управление предпринимается без учета магнитного насыщения. Публично не известен способ, чтобы управлять входным током, выходным напряжением и напряжением шины постоянного тока для каждой ячейки преобразователя, в то же время предотвращая магнитное насыщение, и, таким образом, существует опасение относительно надежности. Дополнительно, ветви, которые могут выводить двухуровневое напряжение, используются в ячейке преобразователя, существует недостаток в том, что выходное напряжение для каждой одной ячейки является низким, так что число ячеек преобразователя и число трансформаторов увеличивается.

[0009] Это изобретение было реализовано, чтобы разрешать задачи, которые описаны выше, и целью его является предоставление устройства преобразования мощности с высокой надежностью, небольшим размером, легким весом и низкой стоимостью и допускающего выполнение также операции рекуперации, при этом не требуя такого структурно сложного фазорегулирующего трансформатора и подавляя увеличение числа трансформаторов.

[0010] Устройство преобразования мощности согласно изобретению является устройством преобразования мощности, которое выполняет преобразование мощности между входными клеммами многофазного переменного тока и выходными клеммами многофазного переменного тока, содержащим:

устройство трансформатора напряжения, включающее в себя первичные обмотки, соединенные с входными клеммами, и вторичные обмотки, содержащие множества однофазных открытых обмоток, которые изолированы друг от друга; множество ячеек преобразователя, включающих в себя переключающие элементы, в которых их входные концы соединены с соответствующими однофазными открытыми обмотками, а их выходные концы соединены взаимно последовательным образом с выходной клеммой каждой фазы, каждая из упомянутых ячеек преобразователя выполняет преобразование между однофазным переменным током и другим однофазным переменным током; и управляющую схему для управления включением/выключением переключающих элементов.

Дополнительно, каждая из ячеек преобразователя содержит: последовательное соединение конденсаторов; преобразователь, который преобразует напряжение однофазного переменного тока от входных клемм в трех- или более уровневое напряжение постоянного тока и выводит его к последовательному соединению конденсаторов; и инвертор, который преобразует напряжение постоянного тока от последовательного соединения конденсаторов в однофазное напряжение переменного тока и выводит его на выходные концы.

[0011] Устройство преобразования мощности согласно изобретению конфигурируется, как описано выше, так что устройство трансформатора напряжения может быть сконфигурировано с помощью простой и легковесной структуры. Дополнительно, поскольку ячейке преобразователя предоставляется возможность улучшать форму волны напряжения и принимать высоковольтную спецификацию, возможно пресекать формирование гармонической составляющей и уменьшать требуемое число ячеек, чтобы, тем самым, получать устройство преобразования мощности с небольшим размером, легким весом и низкой стоимостью.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0012] Фиг. 1 - принципиальная схема, показывающая конфигурацию основной схемы устройства преобразования мощности согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг. 2 - схемы, каждая из которых показывает конфигурацию обмотки трансформатора согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 3 - принципиальные схемы, каждая из которых показывает конфигурацию основной схемы ячейки преобразователя согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 4 - чертеж, иллюстрирующий внутреннюю конфигурацию управляющей схемы согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 5 - блок-схема, показывающая блок управления входным током в управляющей схеме согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 6 - блок-схема, показывающая блок управления выходным напряжением в управляющей схеме согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 7 - блок-схема, показывающая блок управления средним напряжением в управляющей схеме согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 8 - блок-схема, показывающая блок управления межфазным балансом в управляющей схеме согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 9 - блок-схема, показывающая блок управления внутрифазным балансом в управляющей схеме согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 10 - блок-схемы, каждая из которых показывает блок управления балансом внутри ячейки согласно управляющей схеме в варианте осуществления 1.

Фиг. 11 - блок-схемы, каждая из которых показывает блок модуляции в управляющей схеме согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 12 - временная диаграмма, иллюстрирующая работу ШИМ-контроллера на стороне преобразователя согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 13 - временная диаграмма, иллюстрирующая работу ШИМ-контроллера на стороне инвертора согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 14 - временные диаграммы, каждая из которых иллюстрирует фазовое соотношение между треугольными несущими, используемыми в ШИМ-контроллере согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 15 - принципиальная схема, показывающая конфигурацию основной схемы устройства преобразования мощности согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг. 16 - схемы, каждая из которых показывает конфигурацию обмотки трансформатора согласно второму варианту осуществления.

Фиг. 17 - принципиальная схема, показывающая пример конфигурации схемы первого традиционного устройства преобразования мощности.

Фиг. 18 - это принципиальная схема, показывающая пример конфигурации схемы второго традиционного устройства преобразования мощности.

Фиг. 19 - принципиальная схема, показывающая пример конфигурации схемы третьего традиционного устройства преобразования мощности.

Фиг. 20 - принципиальная схема, показывающая ячейку преобразователя третьего традиционного устройства преобразования мощности.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Первый вариант осуществления

На фиг. 1 показан пример конфигурации основной схемы устройства преобразования мощности согласно первому варианту осуществления изобретения. Фиг. 1 показывает случай, когда источник 101 трехфазного напряжения соединен с входными клеммами R, S, T устройства преобразования мощности, и трехфазный электродвигатель 401 соединен с выходными клеммами U, V, W. Т.е., фиг. 1 показывает случай, когда устройство преобразования мощности согласно изобретению используется в качестве устройства возбуждения электродвигателя.

[0014] Основная схема устройства преобразования мощности согласно первому варианту осуществления изобретения сконфигурирована с использованием устройством трансформатора напряжения, содержащим множество трансформаторов 20n (n=1, 2, 3...), и множеством ячеек 30Xn преобразователя (X=U, V, W,..., n=1, 2, 3...). В этом изобретении каждый многофазный переменный ток (AC), приложенный к входным клеммам и выходным клеммам, не ограничен трехфазным переменным током. Изобретение из этой заявки также применимо к схеме, которая включает в себя, например, три двухфазных/двухфазных трансформатора и шесть ячеек преобразователя с тем, чтобы преобразовывать двухфазный переменный ток, протекающий через входные клеммы, в трехфазный переменный ток, и выводит его через выходные клеммы. Кроме того, число последовательно соединенных ячеек преобразователя не ограничено тремя.

Для примера на фиг. 1 первого варианта осуществления ниже будет приведено описание, предполагающее, что и источник 101 напряжения, и электродвигатель 401, имеют тип трехфазного переменного тока, и три трансформатора 201, 202, 203 и три ячейки преобразователя на каждую фазу, т.е., всего используется девять ячеек 30U1, 30U2, 30U3, 30V1, 30V2, 30V3, 30W1, 30W2, 30W3 преобразователя. Кроме того, управляющая схема 601, которая управляет включением/выключением переключающихся элементов в устройстве преобразования мощности, включена в него.

[0015] Фиг. 2a - это схема, показывающая пример конфигурации обмотки трансформатора 20n, подробная конфигурация которой показана на фиг. 2(b). Первичные обмотки трансформатора 20n имеют конфигурацию обмотки трехфазного соединения звездой (Y-соединения), соответствующие клеммы которого соединены с входными клеммами R, S, T устройства преобразования мощности. Отметим, что хотя соединение треугольником (Δ-соединение) может использоваться для первичных обмоток, если общая сумма напряжений, приложенных к вторичным обмоткам трансформатора 20n, не равна нулю, циркуляционный ток течет в соединении треугольником, чтобы, тем самым, увеличивать потерю. Таким образом, желательно, чтобы первичные обмотки имели соединение звездой, а не другое соединение.

[0016] Вторичные обмотки содержат множество однофазных открытых обмоток, которые изолированы друг от друга. Во вторичных обмотках напряжения, зависящие от коэффициента трансформации, формируются между Rs-Na, между Ss-Nb и между Ts-Nc, согласно напряжениям между клеммами R, S, T на первичной стороне и нейтральной точке N соединения звездой, т.е., напряжениям между R-N, между S-N и между T-N. Поскольку вторичные обмотки содержат открытые обмотки, один изолированный источник напряжения формируется для каждой вторичной обмотки. Таким образом, с целью формирования одного изолированного источника напряжения не требуется иметь три или более вторичных обмоток, как делает первое традиционное устройство преобразования мощности, показанное на фиг. 17.

[0017] Отметим, что с целью реализации блока 610 управления входным током, описанного позже, желательно, чтобы общая индуктивность рассеяния первичной обмотки и вторичной обмотки имела полное сопротивление в процентах, примерно равное 5% или более.

Управляемость тока, главным образом, связана с полным сопротивлением в процентах (индукционной составляющей на выходной стороне ячейки 30Xn преобразователя) и частотой переключения; чем выше становится любое из них, тем больше улучшается управляемость. Т.е., полное сопротивление в процентах становится важным фактором для того, чтобы определять управляемость тока. Принимая во внимание класс целевого напряжения/диапазон емкости (например, 6,6 кВ, 1 МВА), частота переключения, как правило, ограничивается до некоторой степени, и, таким образом, в качестве полного сопротивления в процентах подходит значение около 5-10%.

[0018] Между тем, в качестве сердечника трансформатора 20n используется сердечник с тремя или более ветвями. Когда обмотки намотаны вокруг соответствующих ветвей сердечника с тремя ветвями, если общее напряжение обмоток не равно нулю, существует риск возникновения магнитного насыщения. Таким образом, желательно использовать сердечник с четырьмя ветвями или пятью ветвями. Однако, поскольку эффективная площадь сечения дополнительной ветви (четвертой ветви или пятой ветви) является ограниченной, необходимо в управляющей схеме 601, описанной ниже, выполнять управление, учитывая отсутствие возникновения магнитного насыщения.

[0019] Подробная конфигурация основной схемы ячейки 30Xn преобразователя, показанной на фиг. 3(a), показана на фиг. 3(b). Ячейка 30Xn преобразователя имеет преобразователь 3a и инвертор 3b, каждый из которых имеет тип однофазного полного моста и имеет ветви, которые могут выводить напряжения трех уровней или более, и выполняет преобразование между однофазным переменным током и другим однофазным переменным током. DC-клеммы преобразователя 3a и DC-клеммы инвертора 3b соединены с последовательным соединением CP-CN конденсаторов, соответственно. Пример ячейки 30Xn преобразователя, показанный на фиг. 3, основан на схеме трехуровневого преобразователя типа диодного фиксатора уровня, в котором переключающие элементы SW со своими соответствующими обратными диодами FD, соединенными с ними встречно-параллельным образом, соединены в четыре последовательности и соединены с нейтральной точкой каждого фиксирующего диода CD.

[0020] Трехуровневый преобразователь с типом диодного фиксатора уровня использует четыре ветви. Среди этих четырех ветвей два ветви задействованы в качестве преобразователя 3a.

AC-клеммы IN1 и IN2 преобразователя 3a, которые являются входными концами ячейки 30Xn преобразователя, соединены с одной вторичной обмоткой трансформатора 20n, например, однофазной открытой обмоткой на фиг. 2, на ее обоих концах Rs и Na. Таким образом, соответствующие входные концы ячеек 30Xn преобразователя соединены взаимно параллельным образом с входной клеммой каждой фазы через трансформаторы 20n. Например, входные концы ячеек 30U1, 30U2, 30U3 преобразователя соединены взаимно параллельным образом с входной клеммой R-фазы через трансформаторы 201, 202, 203.

[0021] Другие два ветви задействованы в качестве инвертора 3b. Выходные клеммы OUT1 и OUT2 инвертора 3b, которые являются выходными концами ячейки 30Xn преобразователя, последовательно соединены с выходными клеммами других ячеек 30Xn преобразователя той же фазы, и три фазы соединены звездой, в то время как каждая фаза соединена с каждой из выходных клемм U, V, W устройства преобразования мощности. Таким образом, выходные концы ячейки 30Xn преобразователя соединены взаимно последовательным образом с выходной клеммой каждой фазы. Например, выходные концы ячеек 30U1, 30U2, 30U3 преобразователя соединены взаимно последовательным образом и соединены последовательно с выходной клеммой U-фазы.

Фаза выходной клеммы, с которой соединены выходные концы (3b-сторона инвертора) взаимно последовательно соединенной ячейки 30Xn преобразователя, является такой же, что и фаза входной клеммы, с которой соединены входные концы (3a-сторона преобразователя) упомянутой ячейки 30Xn преобразователя. Т.е., R-фаза на входной стороне является такой же, что и U-фаза на выходной стороне, S-фаза на входной стороне является такой же, что и V-фаза на выходной стороне, а T-фаза на входной стороне является такой же, что и W-фаза на выходной стороне.

[0022] С обоими концами ветвей соединено последовательное соединение CP-CN конденсаторов, которое является последовательным соединением конденсатора CP положительной стороны и конденсатора CN отрицательной стороны. Далее в данном документе, напряжение, приложенное между обоими концами последовательного соединения CP-CN конденсаторов, определено как напряжение шины постоянного тока, напряжение, приложенное к конденсатору CP положительной стороны, определяется как напряжение шины постоянного тока положительной стороны, а напряжение, приложенное к конденсатору CN отрицательной стороны, определено как напряжение шины постоянного тока отрицательной стороны.

[0023] Поскольку устройство преобразования мощности выполнено с конфигурацией схемы, которая описана выше, предоставляются следующие преимущества. Вследствие использования ячейки 30Xn преобразователя, являющейся самокоммутирующимся инвертором, возможно пресекать гармонический ток на входной стороне, управляя включением/выключением переключающих элементов SW на стороне преобразователя 3a. Таким образом, фазорегулирующий трансформатор, который является сложным по структуре, большим по размеру и имеет высокую стоимость, не нужен. Дополнительно, вследствие использования однофазных открытых обмоток в качестве вторичных обмоток трансформатора 20n, возможно устанавливать множество источников напряжения, изолированных по отношению друг к другу посредством меньшего числа обмоток. Кроме того, представляется возможным делать напряжение более высоким, используя ветви, которые могут выводить напряжения трех уровней в ячейке 30Xn преобразователя, так что число ячеек может быть уменьшено, и, кроме того, число вторичных обмоток трансформатора 20n может быть уменьшено.

[0024] В частности, вследствие использования ветвей, которые могут выводить напряжения трех уровней, обеспечивается преимущество в том, что число ячеек 30Xn преобразователя может быть уменьшено наполовину по сравнению со случаем использования ветви, которая может выводить напряжения двух уровней. Уменьшение наполовину числа ячеек 30Xn преобразователя создает половину требуемого числа изолированных источников мощности, так что число обмоток трансформаторов 20n может быть уменьшено наполовину. Кроме того, вследствие использования ветвей, которые могут выводить напряжения трех уровней, гармоническая составляющая в выходном напряжении или токе уменьшается. Это уменьшение гармонической составляющей обеспечивает дополнительное преимущество по конфигурации схемы изобретения. Это обусловлено тем, что потеря в трансформаторе 20n уменьшается, поскольку приложенное гармоническое напряжение или гармонический ток, протекающий через трансформатор 20n, уменьшается. Таким образом, представляется возможным добиваться дальнейшего снижения веса и размера трансформатора 20n, что вносит также в результате вклад в экономию энергии.

[0025] Между тем, недавно был реализован единый модуль, в котором хранится группа полупроводниковых элементов, которые включают в себя ветвь, которая может выводить напряжения трех уровней, т.е., ветвь, содержащую четыре переключающих элемента SW и обратные диоды FD и два фиксирующих диода CD. Таким образом, даже если применяется ветвь, которая может выводить напряжения трех уровней, возможно делать одну ячейку 30Xn преобразователя небольшой по размеру в отличие от ячейки в случае двух уровней. Т.е., возможно уменьшать объем, вес и стоимость устройства преобразования мощности в целом до степени, соответствующей уменьшенному числу ячеек 30Xn преобразователя.

[0026] Далее будет описана управляющая схема 601. Управляющая схема 601 имеет три основные цели, которыми являются: сделать ток, протекающий через входную клемму, более близким к идеальной синусоидальной волне (чтобы уменьшать гармонические волны); управлять электродвигателем 401, чтобы иметь предполагаемую скорость вращения или крутящий момент; и управлять напряжениями шины постоянного тока ячеек 30Xn преобразования, чтобы иметь правильные значения, чтобы, тем самым, предохранять полупроводниковые элементы от повреждения, вызванного избыточным напряжением. Используя обнаруженные значения тока, протекающего через входную клемму, или ячейку 30Xn преобразования устройства преобразования мощности, напряжение на входной клемме устройства преобразования мощности и/или напряжения шины постоянного тока ячеек преобразования (три напряжения из напряжения шины постоянного тока положительной стороны, напряжения шины постоянного тока отрицательной стороны и общего напряжения обоих из них), управляющая схема 601, в конечном счете, распространяет стробирующие сигналы для управления включением/выключением переключающих элементов SW ячейки 30Xn преобразователя.

[0027] Внутренняя конфигурация управляющей схемы 601 показана на фиг. 4. Управляющая схема 601 включает в себя четыре блока управления из блока 610 управления входным током, блока 620 управления выходным напряжением, блока 630 управления напряжением шины и блока 640 модуляции; дополнительно, блок 630 управления напряжением шины содержит блок 631 управления средним напряжением, блок 632 управления межфазным балансом, блок 633 управления внутрифазным балансом и блоком 634 управления балансом внутри ячейки.

[0028] Обработка, посредством блока 610 управления входным током, отражена в управлении на стороне преобразователя 3a, а обработка посредством блока 620 управления выходным напряжением отражена в управлении на стороне инвертора 3b. Дополнительно, в блоке 630 управления напряжением шины, обработка посредством блока 631 управления средним напряжением отражена в управлении на стороне преобразователя 3a, обработка посредством блока 632 управления межфазным балансом отражена в управлении на стороне инвертора 3b, а обработка посредством блока 633 управления внутрифазным балансом отражена в управлении на стороне инвертора 3b. Также, обработка посредством блока 634 управления балансом внутри ячейки отражена в управлении на обеих или на любой одной из стороны преобразователя 3a и стороны преобразователя 3b. Обработка посредством блока 640 модуляции, в конечном счете, отражена в управлении переключающими элементами SW на стороне преобразователя 3a и на стороне инвертора 3b.

[0029] Перед описанием подробностей управляющей схемы 601 определяются соответствующие параметры. Сначала, напряжения на входных клеммах R, S, T (напряжения источника мощности) определяются как Vr, Vs, Vt, а токи, протекающие через входные клеммы R, S, T, определяются как Ir, Is, It. Токи, протекающие во вторичной обмотке трансформаторов 20n, определяются как IRsn, ISsn, ITsn. Отметим, что "n" определено как n=1, 2, 3, соответствующее порядку трансформаторов 201, 202, 203. Напряжения шины постоянного тока в ячейках 30Xn преобразования определены как VdcXn, где "X" - это одно из U, V и W, а "n" - это одно из 1, 2 и 3.

[0030] Дополнительно, командные значения напряжения на стороне преобразователя 3a ячеек 30xn преобразователя определены как VCXn*, среди которых командные значения напряжения для переключающих элементов SW ветви, которая выводит напряжение на AC-клемму IN1 положительной стороны (далее в данном документе называемой ветвью положительной стороны), определены как VCXnP*, а командные значения напряжения для переключающих элементов SW ветви, которая выводит напряжение на AC-клемму IN2 (далее в данном документе называемой ветвью отрицательной стороны), определены как VCXnN* (см. фиг. 3(b)). Аналогично, командные значения напряжения на стороне инвертора 3b определены как VIXn*, среди которых командные значения напряжения для переключающих элементов SW ветви положительной стороны определены как VIXnP*, а командные значения напряжения для переключающих элементов SW ветви отрицательной стороны определены как VIXnN*.

[0031] Блок-схема управления, показывающая пример блока 610 управления входным током, показана на фиг. 5. Главная цель блока 610 управления входным током заключается в том, чтобы заставить токи IRsn, ISsn, ITsn, протекающие через входные клеммы R, S, T или во вторичной обмотке трансформаторов 20n, следовать их командным значениям тока.

Рассматривая три ячейки 30Xn преобразователя, соединенные с одним трансформатором 20n, как один набор, блок 610 управления входным током управляет ими независимо от другого набора.

[0032] Сначала обнаруживаются входные токи IRsn, ISsn, ITsn ячеек 30Xn преобразователя. dq-преобразователь 51 выполняет dq-преобразование с помощью фазы θ источника мощности по этим обнаруженным значениям, чтобы, тем самым, вырабатывать ток Idn d-оси и ток Iqn q-оси. В последующем, описание будет выполняться, предполагая случай, в котором, когда напряжения источника мощности находятся в трехфазном равновесии, ток d-оси соответствует реактивному току (реактивной мощности), а ток q-оси соответствует активному току (активной мощности). Отклонения между полученными токами Idn, Idq dq-оси и их соответствующие командные значения Idn*, Iqn* тока вычисляются и предоставляются соответствующим контроллерам Gc(s). Контроллеры Gc(s), к которым применимо пропорционально-интегральное (PI) регулирование или т.п., выполняют вычисление, чтобы делать отклонения нулевыми. Здесь, поскольку Idn* является командным значением, соответствующим реактивному току, оно дано как Idn*=0, так что коэффициент мощности становится приблизительно равным 1, тогда как, поскольку Iqn* соответствует активному току, он вырабатывается посредством блока 631 управления средним напряжением, описанного позже.

[0033] Между тем, напряжения Vr, Vs, Vt источника мощности dq-преобразуются посредством dq-преобразователя 52 и после этого умножаются на коэффициент TR трансформации трансформатора 20n, так что получаются напряжение Vds d-оси и напряжение Vqs q-оси из напряжений источника мощности. Затем, что касается выводов контроллеров Gc(s), напряжение Vds d-оси и напряжение Vqs q-оси из напряжений источника мощности принимаются во внимание в качестве величины прямой связи. Результирующие величины обратно dq-преобразуются посредством обратного dq-преобразователя 53, так что получаются командные значения VCUn*, VCVn*, VCWn* напряжения на стороне преобразователя 3a ячеек 30Xn преобразователя. Отметим, что, поскольку трансформатор 20n соединен со стороной преобразователя 3a, с целью предотвращения магнитного насыщения требуется не выводить к нему напряжение нулевой фазы. Вместо этого, магнитное насыщение может быть предотвращено посредством управления напряжением нулевой фазы, которое вырабатывается из общей суммы входных токов IRsn, ISsn, ITsn, чтобы быть нулевым.

[0034] Предшествующее является примером, и для того, чтобы не вызывать интерференции между токами d-оси и q-оси, возможно объединять публично известный способ, такой как неинтерференционное токовое управление. Также, используя PQ-преобразование вместо dq-преобразования, возможно выполнять управление, в то же время дифференцируя активную мощность P и реактивную мощность Q более точно.

[0035] Далее, блок-схема управления, показывающая пример блока 620 управления выходным напряжением, показана на фиг. 6. На фиг. 6, итоговые командные значения VIU*, VIV*, VIW* напряжения для соответствующих фаз на стороне инвертора 3b получаются посредством блока 61 формирования командного значения с помощью широко известного способа управления электродвигателем (например, постоянное V/f-управление, векторное управление, непосредственное управление крутящим моментом и т.д.). Дополнительно, составляющая Vz* напряжения нулевой фазы, имеющая трехкратную выходную частоту, добавляется к этим командным значениям напряжения, так что коэффициент использования напряжения улучшается.

Хотя подробности этого способа опущены здесь, поскольку сам способ хорошо известен, представлен способ, в котором общее напряжение Vz* нулевой фазы добавляется, так что амплитуда фрагмента с пиковым значением каждой фазы на стороне инвертора 3b делается меньшей. Посредством этого добавления, искажение возникает в форме волны напряжения; однако, искаженная форма волны существует благодаря напряжению нулевой фазы, и, таким образом, в случае подачи к нагрузке в трехфазной системе по трем линиям, только хорошо сформированная синусоидальная волна после удаления искаженного фрагмента формы волны, каждая, подается в качестве напряжения к нагрузке.

[0036] Отметим, что этот способ не применяется к стороне преобразователя 3a. Это обусловлено тем, что, поскольку трансформатор 20n соединен со стороной преобразователя 3a, в трансформаторе 20n появляется магнитный поток, который не позволяет трехфазным напряжениям становиться полностью нулевыми, когда они выводятся после добавления напряжения нулевой фазы, тем самым, вызывая недостаток в том, что требуется, чтобы четвертая ветвь или пятая ветвь сердечника в трансформаторе 20n была большей.

[0037] После этого, блок 620 управления выходным напряжением добавляет командное значение Vzb* напряжения нулевой фазы, определенное посредством блока 532 управления межфазным балансом, описанного позже, к командным значениям напряжения и затем делит их на число ячеек для каждой фазу (=3), чтобы, тем самым, выводить VIU**, VIV** и VIW** в качестве предварительно определенных значений для каждой ячейки на стороне инвертора 3b.

[0038] Блок 630 управления напряжением шины управляет напряжениями шины постоянного тока в каждой ячейке 30Xn преобразователя, чтобы они стали предварительно определенными напряжениями, посредством четырех блоков 631-634 управления, т.е., блока 631 управления средним напряжением, блока 632 управления межфазным балансом, блока 633 управления внутрифазным балансом и блоком 634 управления балансом внутри ячейки.

[0039] Блок-схема управления, показывающая пример блока 631 управления средним напряжением, показана на фиг. 7.

В блоке 631 управления средним напряжением среднее значение напряжений VdcUn, VdcVn, VdcWn шины постоянного тока в трех ячейках 30Xn преобразователя, соединенных с одним трансформатором 20n, т.е., среднее значение VdcAVGn по трем фазам U, V, W вычисляется посредством калькулятора 71 среднего значения.

Затем, командное значение Iqn* тока q-оси, которое соответствуют активной составляющей входного тока в первичных обмотках трансформатора 20n, определяется, так что среднее значение VdcAVGn вынуждено следовать предварительно определенному командному значению Vdc* шины. В частности, вычисляется отклонение между VdcAVGn и Vdc*, которое затем предоставляется контроллеру Gv(s), где вычисляется Iqn*. В качестве контроллера Gv(s) может быть использован PI-регулятор или т.п. Поскольку Iqn* - это ток, соответствующий активной мощности, представляется возможным заставлять VdcAVGn следовать Vdc*. Отметим, что, когда PQ-преобразование применяется к блоку 610 управления входным током, как описано выше, командное значение P* активной мощности регулируется.

[0040] Что касается соединений ячеек 30Xn преобразователя, взаимные ячейки 30Xn преобразователя, последовательно соединенные на стороне инвертора 3b, соединяются на стороне преобразователя 3a параллельно через трансформатор 20n, и каждые общие ячейки преобразователя соединяются взаимно последовательным и параллельным образом с одной и той же фазой. Блок 631 управления средним напряжением выполняет управление, в то же время рассматривая три ячейки 30xn преобразователя, соединенных с одним трансформатором 20n, как один набор. В результате, когда среднее значение напряжений VdcAVGn шины постоянного тока определено, колебания напряжения, которые появляются в соответствующих напряжениях шины постоянного тока, становятся нейтрализованными.

[0041] В целом, когда выводится однофазное напряжение, его выходное напряжение колеблется на его удвоенной частоте. Таким образом, напряжение шины постоянного тока также колеблется на удвоенной частоте. Поскольку напряжения VdcUn, VdcVn, VdcWn шины постоянного тока трех ячеек 30Xn преобразователя имеют свои соответствующие фазы колебаний, которые отличаются на 120° друг от друга, они нейтрализуются в трехфазном среднем значении VdcAVGn, так что составляющая колебания двойной частоты становится нулевой. Таким образом, представляется возможным реализовывать блок 631 управления средним напряжением более простым образом.

[0042] Далее, блок-схема управления, показывающая пример блока 632 управления межфазным балансом, показана на фиг. 8. Блок 632 управления межфазным балансом регулирует напряжение Vzb* нулевой фазы, которое перекрывает командное значение напряжения для каждой фазы на стороне инвертора 3b (см. фиг. 6), чтобы, таким образом, балансировать средние напряжения из напряжений шины постоянного тока в соответствующих фазах: VdcUAVG (среднее значение из VdcU1-VdcU3), VdcVAVG (среднее значение VdcV1-VdcV3) и VdcWAVG (среднее значение VdcW1-VdcW3), равномерно по отношению друг к другу.

[0043] В частности, средние напряжения VdcUAVG, VdcVAVG, VdcWAVG в соответствующих фазах вычисляются посредством соответствующих калькулятор