Частотно-регулируемый электропривод (варианты)

РЕФЕРАТ

Заявлен частотно-регулируемый электропривод, который включает в себя множество элементов электропитания, сконфигурированных в виде трех фаз последовательно соединенных элементов, чтобы поставлять энергию для нагрузки. Электропривод используется для увеличения выходного напряжения каждого элемента электропитания, используя перемодуляцию.

2420-163701RU/016

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД (ВАРИАНТЫ)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ

Полезная модель относится к электронным устройствам, таким как частотно-регулируемые электроприводы, которые используют один или больше инверторов. В частности, полезная модель относится к системам для управления набором инверторов с использованием перемодуляции.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Частотно-регулируемые электроприводы переменного тока используются для различных применений, чтобы поставлять энергию для нагрузки. Например, фиг.1 иллюстрирует схему электропривода, содержащую последовательно соединенные элементы электропитания, которые включают в себя инверторы, как описано в патенте США 5625545, выданном Хэммонду (Hammond), раскрытие которого полностью включено здесь путем ссылки. Что касается фиг.1, то на ней трансформатор 110 поставляет трехфазное электропитание средней мощности для нагрузки 130, такой как трехфазный асинхронный электродвигатель, через матрицу элементов электропитания. Трансформатор 110 включает в себя первичную обмотку 112, которая возбуждает некоторое количество вторичных обмоток 114-125. Хотя первичная обмотка 112 иллюстрируется как имеющая соединение звездой, также возможна кольцевая конфигурация. Далее, хотя вторичные обмотки 114-125 иллюстрируются как имеющие кольцевую конфигурацию, возможны вторичные обмотки, сконфигурированные с соединением звездой, или может использоваться комбинация обмоток с соединением звездой и кольцевым соединением. Кроме того, количество вторичных обмоток, иллюстрируемых на фиг.1, является просто примерным, и возможны другие количества вторичных обмоток. Схема может использоваться для применений средних напряжений или, в некоторых вариантах осуществления, для других применений. Система 192 местного управления может использоваться для управления каждым элементом электропитания, например, для открывания или запирания транзисторов в каждом элементе. В некоторых вариантах осуществления система 192 местного управления может управляться системой 195 центрального управления через беспроводную или проводную сеть 190 связи.

Каждая вторичная обмотка электрически подсоединена к выделенному элементу электропитания 151-153, 161-163, 171-173 и 181-183 так, чтобы три фазы соединенных последовательно элементов электропитания были подсоединены для поставки трехфазной энергии в нагрузку 130.

Следует отметить, что количество элементов на фазу, изображенное на фиг.1, является примерным, и в различных вариантах осуществления может быть возможным больше или меньше, чем четыре элемента на фазу. Например, в одном варианте осуществления, который можно применять к нагрузкам асинхронного электродвигателя на 2300 В переменного тока, для каждой из трех фазовых выходных линий может использоваться три элемента электропитания. В другом варианте осуществления который может применяться к нагрузке асинхронного электродвигателя на 4160 В переменного тока, для каждой из трех фазовых выходных линий могут использоваться пять элементов электропитания. Такой вариант осуществления может иметь одиннадцать состояний напряжения, которые могут включать в себя приблизительно +/-3000 вольт (В) постоянного тока, +/-2400 В постоянного тока, +/-1800 В постоянного тока, +/-1200 В постоянного тока, +/-600 В постоянного тока и нуль В постоянного тока.

Желательно найти способы и системы, которые помогают снижать размер и/или стоимость конфигураций схем, использующих последовательно соединенные инверторы, включая схемы, представленные на фиг.1, но не ограничиваясь этим. Раскрытие, содержащееся в данном описании, описывает способы и системы, которые разрешают одну или больше из проблем, описанных выше.

СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

В варианте осуществления частотно-регулируемый электропривод включает в себя множество элементов электропитания. Каждый элемент электропитания имеет ввод, чтобы принимать трехфазную энергию от вторичной обмотки трансформатора, и каждый элемент электропитания имеет вывод, чтобы поставлять однофазную энергию на фазу трехфазного электродвигателя. Система управления управляет функционированием каждого из элементов электропитания. Система управления запрограммирована таким образом, чтобы увеличивать выходное напряжение каждого из элементов электропитания, используя перемодуляцию, при возникновении предварительно определенного события. Предварительно определенное событие может включать в себя, например, по меньшей мере, одно из функционирования электродвигателя в установившемся режиме, достижение электродвигателем предварительно определенного процента от номинальной частоты вращения, обнаружения изменения напряжения, которое пересекает пороговый уровень, или обнаружения шунтирования, по меньшей мере, одного из элементов электропитания.

В одном варианте осуществления каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным напряжением переменного тока от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 4160 В, а электропривод включает в себя меньше, чем двенадцать элементов электропитания. В другом варианте осуществления каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным напряжением переменного тока от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 4160 В, электропривод включает в себя по меньшей мере двенадцать элементов, и, по меньшей мере, один элемент на фазу обеспечивает избыточность. В другом варианте осуществления каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным (напряжением) переменного тока от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать при напряжении от приблизительно 6,6 кВ (киловольта) до приблизительно 6,9 кВ, а электропривод включает в себя менее восемнадцати элементов электропитания. В другом варианте осуществления каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным напряжением переменного тока от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать при напряжении от приблизительно 6,6 кВ до приблизительно 6,9 кВ, электропривод включает в себя, по меньшей мере, восемнадцать элементов, и, по меньшей мере, один элемент на фазу обеспечивает избыточность. В другом варианте осуществления каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным (напряжением) переменного тока от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 10 кВ, а электропривод включает в себя меньше, чем двадцать четыре элемента электропитания. В другом варианте осуществления каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным напряжением переменного тока от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 10 кВ, электропривод включает в себя, по меньшей мере, двадцать четыре элемента, и, по меньшей мере, один элемент на фазу обеспечивает избыточность.

В альтернативном варианте осуществления частотно-регулируемый электропривод включает в себя множество элементов электропитания. Каждый элемент электропитания имеет ввод, чтобы принимать трехфазную энергию от вторичной обмотки трансформатора. Каждый элемент электропитания также имеет вывод, чтобы поставлять однофазную энергию на фазу трехфазной нагрузки. Если нагрузка имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 4160 В, электропривод включает в себя меньше, чем двенадцать элементов электропитания. Если нагрузка имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать при напряжении от приблизительно 6,6 кВ до приблизительно 6,9 кВ, электропривод включает в себя меньше, чем восемнадцать элементов электропитания. Если нагрузка имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 10 кВ, электропривод включает в себя меньше, чем двадцать четыре элемента электропитания. Каждый элемент электропитания может иметь номинальное напряжение, например, чтобы функционировать со входным напряжением переменного тока, составляющим от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В.

Электропривод также может включать в себя систему управления, которая увеличивает выходное напряжение каждого из элементов электропитания, используя перемодуляцию, при возникновении предварительно определенного события.

В альтернативном варианте осуществления способ функционирования частотно-регулируемого электропривода включает в себя функционирование множества элементов электропитания, которые сконфигурированы в виде трех фаз последовательно соединенных элементов, чтобы поставлять энергию для нагрузки. Способ включает в себя увеличение выходного напряжения каждого элемента электропитания, используя перемодуляцию. Использование перемодуляции может быть выполнено при условии установившегося режима, и оно также может быть выполнено при условии неустановившегося режима. Если требуется, методика перемодуляции может включать в себя синусоидальную модуляцию, синусоидальную модуляцию с подпиткой третьей гармоникой или другие соответствующие способы. Увеличение выходного напряжения может быть, например, приблизительно до уровня на 10,2% выше нормального выходного напряжения элементов при подаваемом входном напряжении.

В некоторых вариантах осуществления способ также может включать в себя контролирование частоты вращения нагрузки и разрешение использования перемодуляции, только когда частота вращения находится на предварительно определенном уровне или выше, таком как приблизительно 95% от максимальной частоты вращения нагрузки. Если требуется, способ также может включать в себя контролирование элементов электропитания, чтобы обнаруживать, когда элемент электропитания шунтируется, и запуск использования перемодуляции при обнаружении шунтирования.

В альтернативном варианте осуществления частотно-регулируемый электропривод включает в себя множество элементов электропитания. Каждый элемент электропитания имеет ввод, чтобы принимать трехфазную энергию от вторичной обмотки трансформатора, и каждый элемент электропитания имеет вывод, чтобы поставлять однофазную энергию на фазу трехфазного электродвигателя. Система управления управляет функционированием каждого из элементов электропитания. Система управления запрограммирована так, чтобы увеличивать выходное напряжение каждого из элементов электропитания, используя перемодуляцию. Увеличение может происходить во время функционирования электродвигателя в установившемся режиме, или оно может быть запущено электродвигателем, достигшим предварительно определенного процента от номинальной частоты вращения, обнаружением падения напряжения или обнаружением шунтирования, по меньшей мере, одного из элементов электропитания, или некоторым другим предварительно определенным событием. В некоторых вариантах осуществления каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, что обеспечивает приблизительно 690 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 4160 В, а электропривод включает в себя меньше, чем двенадцать элементов электропитания. В качестве альтернативы - каждый элемент электропитания может иметь такое номинальное напряжение, что обеспечивает приблизительно 690 В, электродвигатель может иметь номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 4160 В, а электропривод может включать в себя, по меньшей мере, двенадцать элементов при том, что для приведения в действие нагрузки в любой момент времени требуется менее двенадцати элементов. В качестве альтернативы - каждый элемент электропитания может иметь такое номинальное напряжение, чтобы обеспечивать приблизительно 690 В, электродвигатель может иметь номинальное напряжение, чтобы функционировать при напряжении от приблизительно 6,6 кВ до приблизительно 6,9 кВ, а электропривод может включать в себя меньше, чем восемнадцать элементов электропитания. В качестве еще одного альтернативного варианта - каждый элемент электропитания может иметь такое номинальное напряжение, чтобы обеспечивать приблизительно 690 В, электродвигатель может иметь номинальное напряжение, чтобы функционировать при напряжении от приблизительно 6,6 кВ до приблизительно 6,9 кВ, а электропривод может включает в себя, по меньшей мере, восемнадцать элементов, при том, что для приведения в действие нагрузки в любой момент времени требуется менее восемнадцати элементов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 изображает примерную схему, содержащую множество элементов электропитания, подсоединенных к нагрузке.

Фиг.2А и 2B иллюстрируют пример перемодуляции.

Фиг.3А и 3B иллюстрируют пример перемодуляции с подпиткой третьей гармоникой.

Фиг.4 представляет принципиальную электрическую схему примерного элемента электропитания.

Фиг.5 представляет блок-схему программы, иллюстрирующую примерный процесс перемодуляции.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Перед описанием настоящих способов, систем и материалов следует понять, что это раскрытие не ограничено конкретными описанными методологиями, системами и материалами, поскольку они могут изменяться. Также должно быть понятно, что терминология, используемая в описании, представлена только для цели описания конкретных версий или вариантов осуществления и не предназначена для ограничения их объема. Например, как используется в данном описании и в прилагаемой формуле полезной модели, формы единственного числа "a", "an" и "the" включают в себя множественные ссылки, если из контекста явно не следует иное. Если не определено иначе, все технические и научные термины, используемые в данном описании, имеют такие же значения, как обычно понимается специалистами в данной области техники. Кроме того, следующие термины в контексте настоящего описания имеют следующие определения:

Набор конденсаторов - один или больше конденсаторов.

Содержащий - включающий в себя, но не ограниченный этим.

Схема управления - первое электрическое устройство, которое передает сигнал второму электрическому устройству, чтобы изменить состояние второго электрического устройства.

Преобразователь - устройство, которое преобразовывает энергию переменного тока в энергию постоянного тока.

Электрически подсоединенный или электрически связанный - подсоединенный способом, адаптированным для передачи электрической энергии.

Инвертор на базе Н-образного моста - схема для управляемого потока энергии между схемами переменного тока и постоянного тока, имеющая четыре транзистора и четыре диода. Что касается фиг.4, то на ней инвертор 416 на базе Н-образного моста, в общем, включает в себя первое фазовое плечо и второе фазовое плечо, электрически параллельно подсоединенные к контактам постоянного тока. Каждое плечо включает в себя две комбинации транзистора/диода. В каждой комбинации диод электрически подсоединен на концах базы и эмиттера транзистора.

Инвертор - устройство, которое преобразовывает энергию постоянного тока в энергию переменного тока или энергию переменного тока.

Среднее напряжение - нормальное напряжение, которое больше, чем 690 вольт (В), и меньше, чем 69 киловольт (кВ). В некоторых вариантах осуществления среднее напряжение может быть напряжением между приблизительно 1000 В и приблизительно 69 кВ.

Элемент электропитания - электрическое устройство, которое имеет трехфазный ввод переменного тока и однофазный вывод переменного тока.

Широтно-импульсная модуляция - методика, предназначенная для управления схемой посредством генерирования импульсов переменной ширины, чтобы представлять амплитуду аналогового входного сигнала.

Состояние установившегося режима - устойчивое состояние, которое, по существу, не изменяется в течение некоторого времени.

По существу - в значительных пределах или степени.

Инверторами, которые преобразовывают входной сигнал постоянного тока в выходной сигнал переменного тока, такими как инверторы, которые могут использоваться в электроприводе фиг.1, часто управляют с использованием одной или больше методик широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Одна такая методика представляет собой синусоидальную модуляцию. Чтобы производить синусоидальный сигнал выходного напряжения на требуемой частоте (также упоминаемой как основная частота), синусоидальное опорное напряжение (то есть управляющий сигнал с амплитудой V_{управления}) может сравниваться с сигналом треугольной формы (с амплитудой V_треуг). Амплитуда и частота сигнала треугольной формы обычно являются постоянными, и частота сигнала треугольной формы устанавливает частоту переключений инвертора. Синусоидальная модуляция обеспечивает возможность линейного регулирования выходного напряжения до тех пор, пока амплитуда синусоидальной опорного напряжения равна амплитуде треугольной несущей.

Когда амплитуда синусоидальной опорного сигнала превышает амплитуду несущего сигнала, линейное регулирование выходного напряжения теряется. Когда это происходит, отношение амплитудной модуляции, m_a=V_{управления}/V_треуг, превышает 1,0. Эта область функционирования называется перемодуляцией. Область, в которой m_a меньше или равно 1,0, иногда упоминается как линейный диапазон. Перемодуляция (то есть функционирование за пределами линейного диапазона инвертора) приводит к тому, что выходное напряжение содержит более высокий уровень гармоник нижнего порядка (на частотах, близких к основной частоте, но выше нее), чем присутствует в линейном диапазоне.

Фиг.2A показывает два сигнала, которые сопоставимы в синусоидальной модуляции, - v_{управления} 201 и v_треуг 205. Фиг.2B показывает выходное напряжение в виде функции коэффициента модуляции. Как показано на фиг.2B, амплитуда компоненты основной частоты выходного напряжения в линейной области 210 линейно изменяется с амплитудой опорного сигнала. Однако выходной сигнал напряжения не увеличивается линейно с амплитудой опорного сигнала после того, как он превышает амплитуду треугольной несущей, то есть когда коэффициент модуляции превышает 1,0 и входит в область 215 перемодуляции. В этом примере выходное напряжение инвертора составляет 3500 вольт (В), когда коэффициент модуляции составляет 1,0, хотя настоящая полезная модель таким вариантом осуществления не ограничена.

Для расширения диапазона линейного регулирования инвертора могут использоваться другие способы, такие как синусоидальная модуляция с подпиткой третьей гармоникой или ШИМ пространственного вектора. Эти способы могут обеспечивать возможность увеличения выходного напряжения по сравнению со способом синусоидальной модуляции прежде, чем линейное регулирование будет потеряно. Например, такие способы могут обеспечивать возможность увеличения выходного напряжения приблизительно на 15,5%. Фиг.3A иллюстрирует два сигнала, V_{управления} 301 и V _треуг 305, которые могут быть сопоставимы в способе синусоидальной модуляции с подпитки третьей гармоникой. Фиг.3B иллюстрирует примерное выходное напряжение в виде функции коэффициента модуляции. Как показано на фиг.3B, выходной сигнал напряжения является линейным до тех пор, пока коэффициент модуляции не достигает величины 1,155. В этой точке выходное напряжение составляет 4040 В, что является соответственно выше, чем предел линейного регулирования с синусоидальной модуляцией. Выше этого коэффициента модуляции линейность теряется, то есть когда амплитуда опорного сигнала превышает в 1,155 раза амплитуду треугольной несущей. Увеличение амплитуды синусоидальных опорных напряжений выше этого предела линейного регулирования на 115,5% может увеличивать выходное напряжение более чем на 115,5%. В этом примере максимальный выходной сигнал инвертора в области перемодуляции составляет 127,3% напряжения, производимого с коэффициентом модуляции 1,0. Это достигается, когда амплитуда синусоидального опорного напряжения увеличивается свыше 320% сигнала треугольной несущей (то есть когда коэффициент модуляции больше, чем 3,2).

Функционирование в области перемодуляции может происходить в ситуациях, когда выходной сигнал инвертора требуется увеличить до максимума при условиях неустановившегося режима на входе, таких как внезапная потеря напряжения источника питания в инверторе. В таком случае инвертор пытается поддерживать максимально возможное выходное напряжение, увеличивая амплитуду опорного напряжения и функционируя в области перемодуляции. Как только напряжение источника питания восстанавливается, инвертор функционирует в линейной области, чтобы ограничивать производство гармоник более низкого порядка в выходном сигнале и предотвращать любые долговременные побочные воздействия таких гармоник на нагрузку.

Мы обнаружили, что использование перемодуляции при функционировании в установившемся режиме последовательно соединенных инверторов может обеспечивать одно или больше преимуществ в некоторых вариантах осуществления. Например, благодаря преднамеренному вынуждению элемента электропитания функционировать в области перемодуляции при функционировании в установившемся режиме, инвертор может поставлять такое же выходное напряжение, как если бы он находился в линейной области, но с более низким напряжением источника питания (например, приблизительно на 10% ниже), поставляемым инвертору. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления компоненты в инверторе или входном трансформаторе могут иметь более низкое номинальное напряжение и, таким образом, могут быть менее дорогостоящими или меньше, чем с компонентами, установленными на более высокое напряжение. Кроме того, такое функционирование (с перемодуляцией) может обеспечивать более высокое выходное напряжение (например, приблизительно на 10% выше) с тем же самым напряжением источника питания, поставляемым инвертору.

Таким образом, мы обнаружили, что функционирование схемных топологий, которые используют последовательно соединенные инверторы, включая показанную на фиг.1, но не ограничиваясь этим, с использованием перемодуляции в области установившегося режима, может иметь выгоды. Например, в схеме может быть необходимо меньшее количество инверторов, потому что нагрузочная способность по напряжению каждого инвертора может быть увеличена. Такое функционирование имеет конкретное преимущество в применениях среднего напряжения, хотя варианты осуществления, описанные в данном описании, такими применениями не ограничены.

Фиг.4 представляет принципиальную электрическую схему, иллюстрирующую примерные компоненты элемента электропитания, которые могут использоваться в схеме, такой как изображена на фиг.1. Что касается фиг.4, то на ней элемент 410 электропитания предшествующего уровня техники может включать в себя трехфазный диодно-мостовой выпрямитель 412, один или больше конденсаторы 414 постоянного тока и инвертор 416 на базе Н-образного моста или другой инвертор. Выпрямитель 412 преобразовывает напряжение входного сигнала 418 переменного тока, по существу, в постоянное напряжение постоянного тока, которое поддерживается конденсаторами 414, подсоединенными параллельно выходу выпрямителя 412. Выходной каскад инвертора 410 включает в себя инвертор 416 на базе Н-образного моста, который включает в себя два полюса, левый полюс и правый полюс, каждый с двумя устройствами. Инвертор 410 трансформирует напряжение постоянного тока на конденсаторах 414 постоянного тока в выходной сигнал 420 переменного тока с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) полупроводниковых устройств в инверторе 416 на базе Н-образного моста. Выводы инверторов на базе Н-образного моста могут быть подсоединены последовательно (как показано на фиг.1), чтобы образовывать выходное напряжение. Вместо схемы, иллюстрируемой на фиг.4, для элемента электропитания можно использовать другие конфигурации схем.

Инверторы, последовательно соединенные таким образом, как показано на фиг.1 и 4, обычно используются в применениях электропривода электродвигателя переменного тока среднего напряжения. Соответственно - варианты осуществления, описываемые в данном описании, включают в себя функционирование схемы последовательно соединенных инверторов так, чтобы каждый инвертор использовался в области перемодуляции. Для элемента электропитания, который обычно принимает напряжение (или функционирует с напряжением вторичной обмотки трансформатора) 690 В, может быть желательным увеличение напряжения до 750 В (то есть увеличение приблизительно на 8,7%) или даже увеличение до 780 В (то есть увеличение приблизительно на 13%).

Доступными являются электродвигатели только на нескольких дискретных уровнях напряжения, которые являются промышленным стандартом, и только некоторые из этих уровней чрезвычайно популярны. Хотя полезная модель не ограничена современными уровнями напряжения промышленного стандарта, перечисленные ниже примеры описывают использование перемодуляции с помощью последовательно соединенных инверторов на двух примерных уровнях напряжения.

Выходное напряжение в такой схеме может быть выражено в виде функции количества рангов (R) элемента электропитания, входного напряжения переменного тока на элементах электропитания (НПТ) с помощью следующего уравнения:

V_выход =1,78*K_ВПМ*R*НПТ

где K_ВПМ представляет увеличение выходного напряжения благодаря функционированию с перемодуляцией и находится в диапазоне 1,0<K_ВПМ <1,10. Это выражение показывает, что увеличение и входного напряжения переменного тока для элементов электропитания, и коэффициента K_ВПМ до их практических пределов могут снижать количество рангов, требуемых для того, чтобы производить данное выходное напряжение. Это иллюстрируется с использованием примеров в следующих параграфах.

Пример 1

Для того, чтобы электродвигателю функционировать на 4160 В, можно использовать электропривод, такой как показан на фиг.1, с последовательно соединенными инверторами, такими как показаны на фиг.4. Чтобы производить это выходное напряжение, обычный электропривод предшествующего уровня техники имеет четыре последовательно соединенных (однофазных) инвертора на фазу. Другими словами, имеется четыре ранга элементов электропитания. Каждый инвертор, который может использовать биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) или другие соответствующие устройства, рассчитанные приблизительно на 1700 В, принимает 690 В от источника переменного тока и способен поставлять приблизительно 709 В на выходе для суммарного выхода, составляющего приблизительно 4912 В междуфазного напряжения (или приблизительно 2836 В на фазу). Такой инвертор способен производить значительно больше требуемого напряжения 4160 В.

Однако с тремя последовательно соединенными инверторами на фазу (то есть тремя рангами элементов электропитания), суммарное выходное напряжение может составлять приблизительно 3684 В между фазами (или приблизительно 2127 В на фазу). Этот уровень напряжения значительно ниже требуемого выходного сигнала в 4160 В. Если инверторами управляют так, чтобы они функционировали в области перемодуляции (с K_ВПМ =1,10), то три последовательно соединенных инвертора в устройстве схемы на фазу могут обеспечивать приблизительно 4053 В между фазами (или 2340 В на фазу), что является слегка меньше, чем требуемое выходное напряжение.

Небольшое увеличение во входном напряжении источника питания в каждом однофазном инверторе до 740 В может обеспечивать приблизительно 4347 В междуфазного напряжения. Этого достаточно для получения требуемого выходного сигнала в 4160 В. Небольшое увеличение в напряжении источника питания может быть приспособлено к номинальным напряжениям существующих БТИЗ и не будет нуждаться в транзисторах, которые установлены для следующего более высокого номинального напряжения. В некоторых вариантах осуществления может требоваться небольшое увеличение в номинальном параметре конденсаторов инвертора (то есть элемента 414 на фиг.4), чтобы манипулировать увеличенным напряжением шины постоянного тока. Следовательно, это устройство схемы, которое использует только три инвертора на фазу, может приводить к снижениям габаритных размеров и себестоимости.

Пример 2

Другой популярный уровень напряжения, для которого можно использовать электропривод фиг.1, составляет 6900 В. Чтобы производить это выходное напряжение, этот электропривод можно модифицировать так, чтобы он имел шесть последовательно соединенных (однофазных) инверторов на фазу (то есть шесть рангов). Каждый инвертор, такой как показан на фиг.4, который может использовать транзисторы БТИЗ, имеющие номинальное напряжение 1700 В, принимает напряжение 690 В источника переменного тока и способен обеспечивать приблизительно 709 В на выходе для суммарного выходного напряжения, составляющего приблизительно 4254 В на фазу, или приблизительно 7368 В между фазами. Такой инвертор может быть способен производить значительно больше требуемого напряжения в 4160 В.

Однако с пятью последовательно соединенными инверторами на фазу (то есть пятью рангами), суммарное выходное напряжение может составлять приблизительно 6140 В между фазами (или приблизительно 3545 В на фазу). Этот уровень напряжения значительно ниже требуемого выходного сигнала в 6900 В. Если используется перемодуляция, то три последовательно соединенных инвертора в устройстве схемы на фазу могут обеспечивать приблизительно 6754 В между фазами (или приблизительно 3900 В на фазу), что слегка меньше, чем требуемое выходное напряжение.

Небольшое увеличение во входном напряжении источника питания в каждом однофазном инверторе до 740 В может обеспечивать приблизительно 7243 В между фазами. Этого достаточно для получения требуемого выходного напряжения в 6900 В. Небольшое увеличение в напряжении источника питания может быть приспособлено к существующим номинальным параметрам БТИЗ и не будет нуждаться в транзисторах, у которых номинальное напряжение установлено на следующее более высокое номинальное напряжение. В некоторых вариантах осуществления может требоваться небольшое увеличение в номинальном параметре конденсаторов инвертора (то есть элемента 414 на фиг.4), чтобы манипулировать увеличенным напряжением шины постоянного тока. Однако это устройство схемы, которое использует только пять инверторов на фазу, также может приводить к снижениям габаритных размеров и себестоимости.

В двух вышеприведенных примерах дальнейшее увеличение во входном напряжении источника питания для каждого элемента, например, от 740 до 750 В, может быть желательно для компенсирования падения напряжения, такого как из-за сопротивления утечки трансформатора.

Пример 3

В качестве другого примера, если желательно обеспечить функционирование нагрузки, которая имеет номинальное напряжение приблизительно 10 киловольт (кВ), в предшествующем уровне техники могут использовать электропривод, имеющий 24 последовательно соединенных элемента электропитания (то есть 8 рангов элементов), каждый из которых имеет номинальное напряжение для функционирования со входным напряжением переменного тока между приблизительно 740 и 780 В. С перемодуляцией может использоваться меньше, чем 24 элемента, например, семь рангов элементов, чтобы приводить в действие эту нагрузку. В качестве альтернативы - можно использовать 8 или больше рангов с одним рангом, обеспечивающим избыточность, поскольку, когда запущена перемодуляция, для приведения в действие этой нагрузки требуется только семь рангов.

Рассмотрим фиг.5, на которой способы, описанные в данном описании, могут включать в себя использование системы управления (то есть элемента 192 на фиг.1) для управления электроприводом, таким как показан на фиг.1, вводя опорные и несущие сигналы таким образом, чтобы элемент электропитания использовался в области перемодуляции, 510. В некоторых вариантах осуществления функционирование в области перемодуляции может происходить на всех элементах в цепи электропитания во время нормального функционирования схемы, то есть в условиях установившегося режима, чтобы приводить в действие электродвигатель. В некоторых вариантах осуществления перемодуляция может также происходить при функционировании в условиях неустановившегося режима. В любой ситуации система управления может контролировать электропривод так, чтобы определять, вышли ли из строя один или больше элементов, или иначе произошло шунтирование 515, и схема управления может запускать перемодуляцию 525, чтобы поддерживать, по существу, полное выходное напряжение, несмотря на потерю одного или больше элементов. В некоторых вариантах осуществления перемодуляция также может быть запущена при возникновении одного или больше событий.

Например, в некоторых вариантах осуществления перемодуляция может быть запущена при обнаружении, что входное напряжение пересекло предварительно определенную пороговую величину, такую как обнаружение, что напряжение на нагрузке опустилось ниже предварительно определенного уровня, 530 или увеличилось выше предварительно определенного уровня, 550. Таким образом, может контролироваться входное напряжение на последовательно соединенных инверторах, или может контролироваться требуемое напряжение, поставляемое для нагрузки, и может быть запущена перемодуляция. В некоторых вариантах осуществления запуск может быть основан на первом предварительно определенном уровне, таком как падение напряжения, которое приводит к падению входного напряжения до приблизительно 95% предварительно определенного или номинального уровня или ниже. В качестве альтернативы - в некоторых вариантах осуществления запуск может быть основан на увеличении требуемого напряжения на нагрузке выше определенного уровня, такого как приблизительно 95% номинального напряжения электродвигателя.

В некоторых вариантах осуществления также может быть желательно ограничить введение перемодуляции в зависимости от частоты вращения электродвигателя, 540. Таким образом, например, перемодуляция может быть ограничена условиями функционирования, которые находятся между приблизительно 95% и приблизительно 100% номинальной частоты вращения, или условиями, которые находятся между приблизительно 97% и приблизительно 100% требуемой максимальной частоты вращения, или при других требуемых условиях.

В некоторых вариантах осуществления перемодуляцией можно управлять так, чтобы она запускалась комбинацией факторов, таких как обнаружение шунтирования элемента и изменение частоты вращения. В некоторых случаях, предварительно определенные пороговая частота вращения и уровни напряжения могут отличаться, 517, 518 в зависимости от того, было ли обнаружено шунтирование элемента, 515.

Система управления может применять любые из известных в настоящее время или в будущем методов перемодуляции, чтобы выполнять задачи, описанные в данном описании. Например, можно использовать методы, описанные в работе Hava "Carrier-Based PWM-VSI Drives in the Overmodulation Region" (Электроприводы ШИМ-VSI на основе несущей в области перемодуляции), опубликованной в виде тезисов Ph.D в декабре 1998 г. в Университете Висконсина-Мэдисона, Мэдисон, шт.Висконсин, США (University of Wisconsin-Madison (Madison, Wisconsin, U.S.A.)).

В некоторых вариантах осуществления перемодуляция может приводить к тому, что каждый элемент электропитания будет иметь выходное напряжение, которое находится на уровне между приблизительно 0% и приблизительно 10,2% выше, чем его нормальное функционирование, на основании входного напряжении. В других вариантах осуществления перемодуляция может приводить к тому, что каждый элемент электропитания будет иметь выходное напряжение, которое находится на уровне между приблизительно 2% и приблизительно 10% выше, чем его нормальное функционирование. В других вариантах осуществления перемодуляция может приводить к тому, что каждый элемент электропитания будет иметь выходное напряжение, которое приблизительно на 2,7% выше, чем его нормальное функционирование.

С перемодуляцией, для приведения в действие нагрузки, может быть необходимо меньшее количество элементов электропитания. Таким образом, итоговая схема может быть меньше. В качестве альтернативы - схемы, которые обычно могут использоваться для приведения в действие нагрузки, вместо этого могут служить для обеспечения избыточности в случае отказа элемента электропитания. Например, что касается фиг.1, то на ней в схеме, где элементы электропитания установлены на функционирование с входным напряжением переменного тока, равным 690 В, для приведения в действие нагрузки на 4160 В обычно требуются четыре ранга элементов 150, 160, 170 и 180 или приблизительно 4 киловольта (кВ). Каждый ранг включает в себя три элемента электропитания - по одному элементу на фазу, - и при нормальном функционировании, для схем, следовательно, обычно требуются двенадцать элементов электропитания 151-153, 161-163, 171-173 и 181-183. Если элементы электропитания управляются с использованием перемодуляции, и каждый элемент электропитания используется с входным напряжением переменного тока, составляющим от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, то требуются только три ранга 150, 160 и 170 (то есть девять элементов электропитания 151-153, 161-163, 171-173), чтобы обеспечивать 4160 В. В отличие от предшествующих систем требуется меньше, чем двенадцать элементов электропитания, поскольку четвертый ранг 180 может быть опущен, как упомянуто выше в примере 1. В качестве альтернативы - четвертый ранг 180 может быть включен в схему, но использоваться только для обеспечения избыточности одного элемента электропитания на фазу для номинального напряжения электродвигателя, равного 4160 В.

Точно так же в схеме, которая управляет нагрузкой при напряжении приблизительно 6,6 кВ или приблизительно 6,9 кВ, шесть рангов элементов электропитания (то есть восемнадцать суммарных элементов электропитания), если элементы электропитания имеют номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным напряжением переменного тока, составляющим приблизительно 690 В. При использовании перемодуляции и с каждым (элементом) электропитания, функционирующим со входным напряжением переменного тока, составляющим от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, эта схема может обеспечивать 6900 В для использования нагрузкой и только пять рангов (то есть пятнадцать элементов электропитания), как описано выше в примере 2. Шестой ранг может быть исключен из схемы, или он может быть включен в схему, чтобы обеспечивать избыточные элементы электропитания.

Выбор элементов электропитания не ограничен вариантами осуществления, описанными в данном описании, и может быть выбрано любое количество элементов электропитания, основываясь на требуемом напряжении, которое должно быть обеспечено для снабжения нагрузки энергией.

Другие варианты осуществления специалистам в данной области техники станут очевидны из чтения представленного выше подробного описания и чертежей некоторых примерных вариантов осуществления. Даже при том, что были показаны только два способа модуляции, другие способы модуляции также могут быть объединены с предложенным использованием перемодуляции в последовательно соединенных инверторах. Должно быть понятно, что возможны многочисленные вариации, модификации и дополнительные варианты осуществления, и соответственно все такие вариации, модификации и варианты осуществления должны расцениваться, как находящиеся в пределах сущности и объема данной заявки. Соответственно - описания и чертежи следует расценивать, как иллюстративные по своей природе, а не как ограничительные. Кроме того, когда какое-либо количество или диапазон описываются в данном описании, если ясно не заявлено иначе, это количество или диапазон является приблизительным.

1. Частотно-регулируемый электропривод, содержащий: множество элементов электропитания, причем каждый элемент электропитания имеет ввод, чтобы принимать трехфазную энергию от вторичной обмотки трансформатора, и каждый элемент электропитания имеет вывод, чтобы поставлять однофазную энергию на фазу трехфазного электродвигателя; систему управления, которая управляет функционированием каждого из элементов электропитания, в котором система управления запрограммирована так, чтобы увеличивать выходное напряжение каждого из элементов электропитания, используя перемодуляцию, при возникновении предварительно определенного события.

2. Электропривод по п.1, в котором каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным напряжением переменного тока, составляющим от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 4160 В, а электропривод включает в себя меньше, чем двенадцать элементов электропитания.

3. Электропривод по п.1, в котором каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным напряжением переменного тока, составляющим от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 4160 В, электропривод включает в себя, по меньшей мере, двенадцать элементов, и, по меньшей мере, один элемент на фазу обеспечивает избыточность.

4. Электропривод по п.1, в котором каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным (напряжением) переменного тока, составляющим от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать при напряжении от приблизительно 6,6 кВ до приблизительно 6,9 кВ, а электропривод включает в себя меньше, чем восемнадцать элементов электропитания.

5. Электропривод по п.1, в котором каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным напряжением переменного тока, составляющим от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать при напряжении от приблизительно 6,6 кВ до приблизительно 6,9 кВ, электропривод включает в себя, по меньшей мере, восемнадцать элементов, и, по меньшей мере, один элемент на фазу обеспечивает избыточность.

6. Электропривод по п.1, в котором каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным (напряжением) переменного тока, составляющим от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 10 кВ, а электропривод включает в себя меньше, чем двадцать четыре элемента электропитания.

7. Электропривод по п.1, в котором каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным напряжением переменного тока, составляющим от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В, электродвигатель имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 10 кВ, электропривод включает в себя, по меньшей мере, двадцать четыре элемента, и, по меньшей мере, один элемент на фазу обеспечивает избыточность.

8. Электропривод по п.1, в котором предварительно определенное событие содержит, по меньшей мере, одно из функционирования электродвигателя в установившемся режиме, достижения электродвигателем предварительно определенного процента от номинальной частоты вращения, обнаружения изменения напряжения, которое пересекает пороговый уровень, или обнаружения шунтирования, по меньшей мере, одного из элементов электропитания.

9. Частотно-регулируемый электропривод, содержащий: множество элементов электропитания, в котором, каждый элемент электропитания имеет ввод, чтобы принимать трехфазную энергию от вторичной обмотки трансформатора; каждый элемент электропитания имеет вывод, чтобы поставлять однофазную энергию на фазу трехфазной нагрузки; если нагрузка имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 4160 В, множество элементов электропитания содержит меньше, чем двенадцать элементов электропитания; если нагрузка имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать при напряжении от приблизительно 6,6 кВ до приблизительно 6,9 кВ, множество элементов электропитания содержит меньше, чем восемнадцать элементов электропитания, и если нагрузка имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать приблизительно при 10 кВ, множество элементов электропитания содержит меньше, чем двадцать четыре элемента электропитания.

10. Электропривод по п.9, в котором каждый элемент электропитания имеет номинальное напряжение, чтобы функционировать со входным напряжением переменного тока, составляющим от приблизительно 740 В до приблизительно 780 В.

11. Электропривод по п.9, дополнительно содержащий систему управления, которая увеличивает выходное напряжение каждого из элементов электропитания, используя перемодуляцию, при возникновении предварительно определенного события.

12. Электропривод по п.11, в котором предварительно определенное событие содержит, по меньшей мере, одно из функционирования электродвигателя в установившемся режиме, достижения электродвигателем предварительно определенного процента от номинальной частоты вращения, обнаружения изменения напряжения, которое пересекает пороговый уровень, или обнаружения шунтирования, по меньшей мере, одного из элементов электропитания.