преобразовательная схема для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения

Формула изобретения

1. Преобразовательная схема для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения, содержащая предусмотренные на каждую фазу (R, S, Т) n первых коммутационных групп (1.1, ...1.n), причем n-ая первая коммутационная группа (1.n) образована первым силовым полупроводниковым выключателем (2) и вторым силовым полупроводниковым выключателем (3), а коммутационные группы от первой первой (1.1) до (n-1)-й образованы соответственно первым силовым полупроводниковым выключателем (2), вторым силовым полупроводниковым выключателем (3) и конденсатором (4), который соединен с первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями (2, 3), причем каждая из n первых коммутационных групп (1.1, ...1.n) соединена с соответственно соседней первой коммутационной группой (1.1, ...1.n), а первый силовой полупроводниковый выключатель (2) и второй силовой полупроводниковый выключатель (3) первой первой коммутационной группы (1.1) соединены между собой, отличающаяся тем, что n 1 и предусмотрены р вторых коммутационных групп (5.1, ..., 5.р) и р третьих коммутационных групп (6.1, ..., 6.р), образованных соответственно первым силовым полупроводниковым выключателем (2), вторым силовым полупроводниковым выключателем (3) и конденсатором (4), который соединен с первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями (2, 3), причем р 1, и каждая из р вторых коммутационных групп (5.1, ..., 5.р) соединена параллельно с соответственно соседней второй коммутационной группой (5.1, ..., 5.р), каждая из р третьих коммутационных групп (6.1, ..., 6.р) соединена параллельно с соответственно соседней третьей коммутационной группой (6.1, ..., 6.р), первая вторая коммутационная группа (5.1) соединена с первым силовым полупроводниковым выключателем (2) n-й первой коммутационной группы (1.n), а первая третья коммутационная группа (6.1) соединена со вторым силовым полупроводниковым выключателем (3) n-й первой коммутационной группы (1.n), при этом конденсатор (4) р-й второй коммутационной группы (5.р) последовательно соединен с конденсатором (4) р-й третьей коммутационной группы (6.р).

2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что параллельно первому силовому полупроводниковому выключателю (2) n-й первой коммутационной группы (1.n) включен контур (7) ограничения напряжения и параллельно второму силовому полупроводниковому выключателю (3) n-й первой коммутационной группы (1.n) включен контур (7) ограничения напряжения.

3. Схема по п.2, отличающаяся тем, что контур (7) ограничения напряжения содержит конденсатор.

4. Схема по п.2, отличающаяся тем, что контур (7) ограничения напряжения содержит последовательную схему из резистора и конденсатора.

5. Схема по п.1, отличающаяся тем, что n-ая первая коммутационная группа (1.n) содержит конденсатор (4), соединенный с первым силовым полупроводниковым выключателем (2) и вторым силовым полупроводниковым выключателем (3) n-й первой коммутационной группы (1.n), причем с конденсатором (4) n-й первой коммутационной группы (1.n) соединены первая вторая коммутационная группа (5.1) и первая третья коммутационная группа (6.1).

6. Схема по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что первый силовой полупроводниковый выключатель (2) и второй силовой полупроводниковый выключатель (3) первой второй коммутационной группы (5.1) соединены между собой, причем точка соединения первого силового полупроводникового выключателя (2) и второго силового полупроводникового выключателя (3) первой второй коммутационной группы (5.1) соединена с первым силовым полупроводниковым выключателем (2) n-й первой коммутационной группы (1.n), первый силовой полупроводниковый выключатель (2) и второй силовой полупроводниковый выключатель (3) первой третьей коммутационной группы (6.1) соединены между собой, причем точка соединения первого силового полупроводникового выключателя (2) и второго силового полупроводникового выключателя (3) первой третьей коммутационной группы (6.1) соединена со вторым силовым полупроводниковым выключателем (3) n-й первой коммутационной группы (1.n).

7. Схема по п.5, отличающаяся тем, что первый силовой полупроводниковый выключатель (2) и второй силовой полупроводниковый выключатель (3) первой второй коммутационной группы (5.1) соединены между собой, причем точка соединения первого силового полупроводникового выключателя (2) и второго силового полупроводникового выключателя (3) первой второй коммутационной группы (5.1) соединена с точкой соединения конденсатора (4) n-й первой коммутационной группы (1.n) и первым силовым полупроводниковым выключателем (2) n-й первой коммутационной группы (1.n), первый силовой полупроводниковый выключатель (2) и второй силовой полупроводниковый выключатель (3) первой третьей коммутационной группы (6.1) соединены между собой, причем точка соединения первого силового полупроводникового выключателя (2) и второго силового полупроводникового выключателя (3) первой третьей коммутационной группы (6.1) соединена с точкой соединения конденсатора (4) n-й первой коммутационной группы (1.n) и вторым силовым полупроводниковым выключателем (3) n-й первой коммутационной группы (1.n).

8. Схема по любому из пп.1-5 или 7, отличающаяся тем, что число n первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n) соответствует числу р вторых (5.1, ..., 5.р) и третьих (6.1, ..., 6.р) коммутационных групп.

9. Схема по любому из пп.1-5 или 7, отличающаяся тем, что число n первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n) меньше числа р вторых (5.1, ..., 5.р) и третьих (6.1, ..., 6.р) коммутационных групп.

10. Схема по любому из пп.1-5 или 7, отличающаяся тем, что число n первых коммутационных групп (1.1,...,1.n) больше числа р вторых (5.1, ..., 5.р) и третьих (6.1, ..., 6.р) коммутационных групп.

11. Схема по п.1, отличающаяся тем, что первый силовой полупроводниковый выключатель (2) и второй силовой полупроводниковый выключатель (3) каждой коммутационной группы (1.1, ..., 1.n, 5.1, ..., 5.р, 6.1, ..., 6.р) представляет собой двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель.

12. Схема по п.1, отличающаяся тем, что первый силовой полупроводниковый выключатель (2) и второй силовой полупроводниковый выключатель (3) каждой первой (1.1, ..., 1.n) и каждой второй (5.1, ..., 5.р) коммутационных групп представляет собой двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель, второй силовой полупроводниковый выключатель (3) каждой первой (1.1, ..., 1.n) и каждой третьей (6.1, ..., 6.р) коммутационных групп также представляет собой двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель, при этом второй силовой полупроводниковый выключатель (3) каждой второй коммутационной группы (5.1, ..., 5.р) и первый силовой полупроводниковый выключатель (2) каждой третьей коммутационной группы (6.1, ..., 6.р) представляют собой однонаправленные силовые полупроводниковые выключатели.

13. Схема по п.1, отличающаяся тем, что первый силовой полупроводниковый выключатель (2) каждой первой (1.1, ..., 1.n) и каждой третьей (6.1, ..., 6.р) коммутационных групп представляет собой двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель, второй силовой полупроводниковый выключатель (3) каждой первой (1.1, ..., 1.n) и каждой второй (5.1, ..., 5.р) коммутационных групп также представляет собой двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель, при этом первый силовой полупроводниковый выключатель (2) каждой второй коммутационной группы (5.1, ..., 5.р) и второй силовой полупроводниковый выключатель (3) каждой третьей коммутационной группы (6.1, ..., 6.р) представляют собой однонаправленные силовые полупроводниковые выключатели.

14. Схема по п.1, отличающаяся тем, что первый силовой полупроводниковый выключатель (2) и второй силовой полупроводниковый выключатель (3) каждой первой коммутационной группы (1.1, ..., 1.n) представляют собой двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели, при этом первый силовой полупроводниковый выключатель (2) и второй силовой полупроводниковый выключатель (3) каждой второй (5.1, ..., 5.р) и каждой третьей (6.1, ..., 6.р) коммутационных групп представляют собой однонаправленные силовые полупроводниковые выключатели.

15. Схема по любому из пп.11-14, отличающаяся тем, что двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель образован управляемым электронным элементом с однонаправленным направлением пропускания тока и включенным встречно-параллельно ему пассивным неуправляемым электронным элементом с однонаправленным направлением пропускания тока.

16. Схема по любому из пп.12-14, отличающаяся тем, что однонаправленный силовой полупроводниковый выключатель образован пассивным неуправляемым электронным элементом с однонаправленным направлением пропускания тока.

17. Схема по п.1, отличающаяся тем, что у n первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n) два первых силовых полупроводниковых выключателя (2) соответственно соседних первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n) объединены в один модуль и два вторых силовых полупроводниковых выключателя (3) соответственно соседних первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n) также объединены в один модуль.

18. Схема по п.17, отличающаяся тем, что у р вторых коммутационных групп (5.1, ..., 5.р) два первых силовых полупроводниковых выключателя (2) соответственно соседних вторых коммутационных групп (5.1, ..., 5.р) объединены в один модуль и два вторых силовых полупроводниковых выключателя (3) соответственно соседних вторых коммутационных групп (5.1, ..., 5.р) также объединены в один модуль, при этом у р третьих коммутационных групп (6.1, ..., 6.р) два первых силовых полупроводниковых выключателя (2) соответственно соседних третьих коммутационных групп (6.1, ..., 6.р) объединены в один модуль и два вторых силовых полупроводниковых выключателя (3) соответственно соседних третьих коммутационных групп (6.1, ..., 6.р) также объединены в один модуль.

19. Схема по п.1, отличающаяся тем, что n первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n) и у р вторых (5.1, ..., 5.р) и третьих (6.1, ..., 6.р) коммутационных групп соответственно первый силовой полупроводниковый выключатель (2) и второй силовой полупроводниковый выключатель (3) объединены в один модуль.

20. Схема по п.1, отличающаяся тем, что у нескольких фаз (R, S, Т) р-ые вторые коммутационные группы (5.1, ...,5.р) фаз (R, S, Т) и р-ые третьи коммутационные группы (6.1, ..., 6.р) фаз (R, S, Т) соединены между собой параллельно.

21. Схема по п.20, отличающаяся тем, что конденсаторы (4) р-ых вторых коммутационных групп (5.р) фаз (R, S, Т) объединены в один конденсатор, при этом конденсаторы (4) р-ых третьих коммутационных групп (6.р) фаз (R, S, Т) также объединены в один конденсатор.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к области силовой электроники и, в частности, к преобразовательной схеме для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения согласно ограничительной части независимого пункта формулы.

Уровень техники

Преобразовательные схемы используются сегодня во многих устройствах силовой электроники. Требования к такой преобразовательной схеме заключаются, во-первых, в создании как можно меньших высших гармоник фаз обычно подключенной к преобразовательной схеме сети переменного напряжения, а во-вторых, в передаче с помощью как можно меньшего числа электронных элементов как можно больших мощностей. Подходящая преобразовательная схема для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения описана в DE 69205413 Т2. Здесь на каждую фазу предусмотрено n первых коммутационных групп, причем n-я первая коммутационная группа образована первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями, а коммутационные группы от первой первой до (n-1)-й образованы соответственно первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями и соединенным с первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями конденсатором, причем n 2. Каждая из n первых коммутационных групп соединена параллельно с соответственно соседней первой коммутационной группой, причем первый и второй силовые полупроводниковые выключатели первой первой коммутационной группы соединены между собой. Первый и второй силовые полупроводниковые выключатели образованы соответственно биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolartransistor) и включенным встречно-параллельно биполярному транзистору диодом.

Проблему у преобразовательной схемы для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения по DE 69205413 Т2 представляет то, что аккумулированная в этой схеме во время работы электрическая энергия очень велика. Поскольку электрическая энергия аккумулирована в конденсаторах n первых коммутационных групп преобразовательной схемы, конденсаторы должны быть рассчитаны на эту электрическую энергию, т.е. в отношении своей электрической прочности и/или емкости. Это требует, однако, конденсаторы большой конструктивной величины, которые соответственно дороги. К тому же преобразовательная схема из-за конденсаторов большой конструктивной величины требует много места, так что компактная конструкция, требуемая для многих применений, например для тяговых устройств, невозможна. Кроме того, использование конденсаторов большой конструктивной величины приводит к большим затратам на монтаж и обслуживание.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание преобразовательной схемы для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения, которая аккумулировала бы как можно меньше электрической энергии во время своей эксплуатации и могла бы быть реализована компактной. Эта задача решается посредством признаков п.1 формулы. В зависимых пунктах приведены предпочтительные усовершенствования изобретения.

Преобразовательная схема, согласно изобретению, для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения содержит предусмотренные на каждую фазу n первых коммутационных групп, причем n-я первая коммутационная группа образована первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями, а коммутационные группы от первой первой до (n-1)-й коммутационной группы образованы соответственно первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями и соединенным с первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями конденсатором, причем согласно изобретению n 1, и каждая из n первых коммутационных групп у нескольких имеющихся первых коммутационных групп соединена параллельно с соответственно соседней первой коммутационной группой, а первый и второй силовые полупроводниковые выключатели первой первой коммутационной группы соединены между собой. Согласно изобретению предусмотрены р вторых коммутационных групп и р третьих коммутационных групп, образованных соответственно первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями и соединенным с первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями конденсатором, причем р 1, и каждая из р вторых коммутационных групп у нескольких имеющихся вторых коммутационных групп соединена параллельно с соответственно соседней второй коммутационной группой. Каждая из р третьих коммутационных групп у нескольких имеющихся третьих коммутационных групп соединена параллельно с соответственно соседней третьей коммутационной группой, первая вторая коммутационная группа соединена с первым силовым полупроводниковым выключателем n-й первой коммутационной группы, а первая третья коммутационная группа соединена со вторым силовым полупроводниковым выключателем n-й первой коммутационной группы. Кроме того, конденсатор р-й второй коммутационной группы последовательно соединен с конденсатором р-й третьей коммутационной группы.

За счет предусмотренных р вторых и р третьих коммутационных групп и их описанных выше соединений р вторые коммутационные группы участвуют в работе преобразовательной схемы, согласно изобретению, например, только при положительном полупериоде колебания в отношении фазового выходного переменного напряжения, а р третьи коммутационные группы - только при отрицательном полупериоде колебания. Благодаря этому можно предпочтительно уменьшить электрическую энергию, аккумулированную в преобразовательной схеме, в частности в конденсаторах р вторых и третьих коммутационных групп. Далее n первые коммутационные группы служат только для балансировки фазового выходного переменного напряжения, так что у нескольких имеющихся первых коммутационных групп конденсаторы n первых коммутационных групп в сбалансированном состоянии, в основном, не пропускают ток и тем самым также, в основном, не аккумулируют электрическую энергию. Таким образом, аккумулированная электрическая энергия преобразовательной схемы может, в целом, поддерживаться на низком уровне, в результате чего конденсаторы преобразовательной схемы должны быть рассчитаны только на небольшую аккумулируемую электрическую энергию, т.е. в отношении своей электрической прочности и/или емкости. Благодаря малой конструктивной величине конденсаторов преобразовательная схема требует очень мало места, так что возможна компактная конструкция, требуемая для многих применений, например для тяговых устройств. Кроме того, за счет малой конструктивной величины конденсаторов затраты на монтаж и обслуживание могут поддерживаться предпочтительно на низком уровне.

Эти и другие задачи, преимущества и признаки настоящего изобретения становятся очевидными из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления в сочетании с чертежами.

Краткое описание чертежей

На чертежах изображают:

- фиг.1а: первый вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению;

- фиг.1b: второй вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению;

- фиг.1с: третий вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению;

- фиг.2: четвертый вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению;

- фиг.3а: пятый вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению;

- фиг.3b: шестой вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению;

- фиг.4: седьмой вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению.

Используемые на чертежах ссылочные позиции и их значение приведены в перечне. В принципе, одинаковые детали обозначены на фигурах одинаковыми ссылочными позициями. Описанные варианты выполнения являются примерами объекта изобретения и не имеют никакого ограничительного действия.

Подробное описание изобретения

На фиг.1а изображен первый, в частности однофазный, вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения. Преобразовательная схема содержит предусмотренные на каждую фазу R, S, Т первые коммутационные группы 1.1, ..., 1.n, причем n-я первая коммутационная группа 1.n образована первым 2 и вторым 3 силовыми полупроводниковыми выключателями, а коммутационные группы от первой первой 1.1 до (n-1)-й коммутационной группы 1.(n-1) образованы соответственно первым 2 и вторым 3 силовыми полупроводниковыми выключателями и соединенным с первым 2 и вторым 3 силовыми полупроводниковыми выключателями конденсатором 4, причем согласно изобретению n 1, и каждая из n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n у нескольких имеющихся первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n соединена параллельно с соответственно соседней первой коммутационной группой 1.1, ..., 1.n, т.е. n-я первая коммутационная группа 1.n соединена параллельно с (n-1)-й первой коммутационной группой 1.(n-1), а (n-1)-я первая коммутационная группа 1.(n-1) - с (n-2)-й первой коммутационной группой 1.(n-2) и т.д. На фиг.1а первый 2 и второй 3 силовые полупроводниковые выключатели первой первой коммутационной группы 1.1 соединены между собой. Точка соединения первого 2 и второго 3 силовых полупроводниковых выключателей образует на фиг.1а фазовый вывод, в частности для фазы R.

Согласно изобретению на фиг.1а предусмотрены р вторые коммутационные группы 5.1, ..., 5.р и р третьи коммутационные группы 6.1, ..., 6.р, образованные соответственно первым 2 и вторым 3 силовыми полупроводниковыми выключателями и соединенным с первым 2 и вторым 3 силовыми полупроводниковыми выключателями конденсатором 4, причем согласно изобретению р 1, и каждая из р вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р у нескольких имеющихся вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р соединена параллельно с соответственно соседней второй коммутационной группой 5.1,...,5.р, т.е. р-я вторая коммутационная группа 5.р соединена параллельно с (р-1)-й второй коммутационной группой 5.(р-1), а (р-1)-я вторая коммутационная группа 5.(р-1) - с (р-2)-й второй коммутационной группой 5.(n-2) и т.д. На фиг.1а каждая из р третьих коммутационных групп 6.1, ..., 6.р у нескольких имеющихся третьих коммутационных групп 6.1, ..., 6.р соединена параллельно с соответственно соседней третьей коммутационной группой 6.1,...,6.р, т.е. р-я третья коммутационная группа 6.р соединена параллельно с (р-1)-й третьей коммутационной группой 6.(р-1), а (р-1)-я третья коммутационная группа 6.(р-1) - с (р-2)-й третьей коммутационной группой 6.(n-2) и т.д.

Первая вторая коммутационная группа 5.1 соединена с первым полупроводниковым выключателем 2 n-й первой коммутационной группы 1.n, а первая третья коммутационная группа 6.1 - со вторым полупроводниковым выключателем 2 n-й первой коммутационной группы 1.n. Конденсатор 4 р-й второй коммутационной группы 5.р последовательно соединен с конденсатором 4 р-й третьей коммутационной группы 6.р. Посредством предусмотренных р вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р и р третьих коммутационных групп 6.1,..., 6.р и их описанных соединений соответственно между собой, по отношению друг к другу и с n-й первой коммутационной группой 1.n р вторые коммутационные группы 5.1, ..., 5.р участвуют в работе преобразовательной схемы, согласно изобретению, например, только при положительном полупериоде колебания в отношении фазового выходного переменного напряжения, а р третьи коммутационные группы - только при отрицательном полупериоде колебания. Благодаря этому можно предпочтительно уменьшить электрическую энергию, аккумулированную в преобразовательной схеме, в частности в конденсаторах 4 р вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп. Далее n первые коммутационные группы 1.1, ..., 1.n служат только для балансировки фазового выходного переменного напряжения, так что конденсаторы 4 n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n в сбалансированном состоянии, т.е. уравновешенном состоянии фазового выходного переменного напряжения, в основном, не пропускают ток и тем самым также, в основном, не аккумулируют электрическую энергию. Таким образом, аккумулированная электрическая энергия преобразовательной схемы согласно изобретению может, в целом, поддерживаться на низком уровне, в результате чего конденсаторы 4 преобразовательной схемы должны быть рассчитаны только на небольшую аккумулируемую электрическую энергию, т.е. в отношении своей электрической прочности и/или емкости. Благодаря малой конструктивной величине конденсаторов 4 преобразовательная схема требует минимум места, так что возможна предпочтительно компактная конструкция, требуемая для многих применений, например для тяги. Кроме того, за счет малой конструктивной величины конденсаторов 4 затраты на монтаж и обслуживание могут поддерживаться предпочтительно на низком уровне.

На фиг.1а параллельно первому полупроводниковому выключателю 2 n-й первой коммутационной группы l.n включен, например, контур 7 ограничения напряжения, а параллельно второму полупроводниковому выключателю 3 n-й первой коммутационной группы 1.n - также контур 7 ограничения напряжения. Контур 7 ограничения напряжения может быть выбран в качестве опции и служит предпочтительно для стабилизации фазового выходного напряжения, в частности при желаемом фазовом выходном напряжении 0 В. Преимущественно контур 7 ограничения напряжения содержит конденсатор или, как показано на фиг.1а, последовательную схему из резистора и конденсатора. Специалисту ясно, что также все другие первые 2 и вторые 3 полупроводниковые выключатели первых 1.1, ..., 1.(n-1), а также вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп могут содержать контур 7 ограничения напряжения, в частности любого вида, и/или контур ограничения тока, в частности любого вида.

На фиг.1b изображен второй, в частности однофазный, вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения. В отличие от первого варианта выполнения на фиг.1а n-я первая коммутационная группа 1.n у второго варианта выполнения на фиг.1b содержит конденсатор 4, соединенный с первым 2 и вторым 3 полупроводниковыми выключателями n-й первой коммутационной группы 1.n, причем первая вторая коммутационная группа 5.1 соединена с конденсатором 4 n-й первой коммутационной группы 1.n, а первая третья коммутационная группа 6.1 - с конденсатором 4 n-й первой коммутационной группы 1.n. За счет конденсатора 4 n-й первой коммутационной группы 1.n достигается предпочтительно то, что, в частности, при желаемом фазовом выходном напряжении 0 В это фазовое выходное напряжение может быть стабилизировано и тем самым достигнуто без проблем и паразитных эффектов. По сравнению с первым вариантом выполнения на фиг.1а у второго варианта выполнения на фиг.1b конденсатор 4 n-й первой коммутационной группы 1.n может быть выбран в качестве опции и служит не только для ограничения или стабилизации напряжения и не должен рассматриваться, таким образом, в качестве источника напряжения. Возможно также, однако на фиг.1а для наглядности не показано, чтобы вместо конденсатора 4 n-й первой коммутационной группы 1.n была предусмотрена последовательная схема из конденсатора 4 и резистора. Понятно, что конденсатор 4 n-й первой коммутационной группы 1.n или последовательная схема из конденсатора 4 и резистора может быть выбрана для всех описанных вариантов выполнения в качестве опции.

На фиг.1с изображен третий, в частности однофазный, вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения. Здесь число n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n меньше числа р вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп. На фиг.1с это тогда n=1 первых коммутационных групп 1.1, 1.2, р=2 вторых коммутационных групп 5.1, 5.2 и р=2 третьих коммутационных групп 6.1, 6.2. Из этого предпочтительно следует, что требуется меньше первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n и тем самым меньше первых 2 и вторых 3 силовых полупроводниковых выключателей и меньше конденсаторов 4, а преобразовательная схема согласно изобретению может быть, таким образом, в целом, дополнительно уменьшена в отношении занимаемого ею места. Преимущественно первые и вторые силовые полупроводниковые выключатели при n=1 первых коммутационных групп 1.1, 1.2, как показано в качестве примера на фиг.1с, представляют собой соответственно высокозапирающий двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель, т.е. образованы управляемым высокозапирающим электронным элементом с однонаправленным направлением пропускания тока, например отключаемым тиристором (GTO - Gate Turn-Off Thyristor) или интегрированным тиристором с коммутируемым затвором (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor), и включенным встречно-параллельно ему пассивным неуправляемым высокозапирающим электронным элементом с однонаправленным направлением пропускания тока, например диодом.

На фиг.2 изображен четвертый, в частности однофазный, вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения. Здесь число n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n соответствует числу р вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп. На фиг.2 это тогда n=2 первых коммутационных групп 1.1, 1.2, р=2 вторых коммутационных групп 5.1, 5.2 и р=2 третьих коммутационных групп 6.1, 6.2. Если число n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n соответствует числу р вторых 5.1,...,5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп, то могут предпочтительно коммутироваться в общей сложности (2n+1) уровней коммутируемого напряжения преобразовательной схемы согласно изобретению, т.е. при n=2 на фиг.2 могут коммутироваться тогда пять уровней коммутируемого напряжения.

Далее возможно также, чтобы число n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n было больше числа р вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп.

На фиг.1а, 1с первый 2 и второй 3 силовые полупроводниковые выключатели первой второй коммутационной группы 5.1 соединены между собой, причем точка соединения первого 2 и второго 3 силовых полупроводниковых выключателей первой второй коммутационной группы 5.1 соединена с точкой соединения конденсатора 4 n-й первой коммутационной группы 1.n и первым силовым полупроводниковым выключателем 2 n-й первой коммутационной группы 1.n. Первый 2 и второй 3 силовые полупроводниковые выключатели первой третьей коммутационной группы 6.1 соединены между собой, причем точка соединения первого 2 и второго 3 силовых полупроводниковых выключателей первой третьей коммутационной группы 6.1 соединена с точкой соединения конденсатора 4 n-й первой коммутационной группы 1.n и вторым силовым полупроводниковым выключателем 3 n-й первой коммутационной группы 1.n.

Преимущественно первый 2 и второй 3 силовые полупроводниковые выключатели каждой коммутационной группы 1.1, ..., 1.n, 5.1, ..., 5.p и 6.1, ..., 6.р представляют собой двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели, как это показано в вариантах выполнения на фиг.1а, 1b, 1с и 2.

На фиг.3а изображен пятый, в частности однофазный, вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения. Здесь первый силовой полупроводниковый выключатель 2 каждой первой 1.1, ..., 1.n и каждой второй 5.1, ..., 5.р коммутационных групп представляет собой двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель. Второй силовой полупроводниковый выключатель 3 каждой первой 1.1, ..., 1.n и каждой третьей 6.1, ..., 6.р коммутационных групп также представляет собой двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель. В отличие от вариантов выполнения на фиг.1a, 1b, 1с и 2 второй силовой полупроводниковый выключатель 3 каждой второй коммутационной группы 5.1, ..., 5.р и первый силовой полупроводниковый выключатель 2 каждой третьей коммутационной группы 6.1, ..., 6.р представляют собой однонаправленные силовые полупроводниковые выключатели. Благодаря этой мере можно дополнительно упростить преобразовательную схему согласно изобретению.

На фиг.3b изображен шестой, в частности однофазный, вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения. Здесь первый силовой полупроводниковый выключатель 2 каждой первой 1.1, ..., 1.n и каждой третьей 6.1,...,6.р коммутационных групп представляет собой двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель. Второй силовой полупроводниковый выключатель 3 каждой первой 1.1,...,1.n и каждой второй 5.1, ..., 5.р коммутационных групп также представляет собой двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель. Кроме того, первый силовой полупроводниковый выключатель 2 каждой второй коммутационной группы 5.1, ..., 5.р и второй силовой полупроводниковый выключатель 3 каждой третьей коммутационной группы 6.1, ..., 6.р представляют собой однонаправленные силовые полупроводниковые выключатели. Помимо преимуществ упрощения преобразовательной схемы, уже упомянутых в связи с пятым вариантом выполнения на фиг.3а, напряжение на соответствующем конденсаторе 4 каждой второй 5.1,...,5.р и каждой третьей 6.1, ..., 6.р коммутационных групп в шестом варианте выполнения преобразовательной схемы на фиг.3b может быть установлено очень просто, например, на заданное значение, в частности посредством регулирования.

На фиг.4 изображен седьмой, в частности однофазный, вариант выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения. Здесь первый 2 и второй 3 силовые полупроводниковые выключатели каждой первой коммутационной группы 1.1, ..., 1.n представляют собой двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели. Первый 2 и второй 3 силовые полупроводниковые выключатели каждой второй 5.1, ..., 5.р и каждой третьей 6.1, ..., 6.р коммутационных групп представляют собой однонаправленные силовые полупроводниковые выключатели. Благодаря этой мере преобразовательная схема согласно изобретению представляет собой выпрямитель, реализованный очень просто и к тому же компактно, поскольку он обходится минимальным числом двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей.

Преимущественно соответствующий двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель вариантов выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению на фиг.1а-4 образован управляемым электронным элементом с однонаправленным направлением пропускания тока, например биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolartransistor) или, как показано на фиг.1с, - отключаемым тиристором (GTO - Gate Turn-Off Thyristor) или интегрированным тиристором с коммутируемым затвором (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor), и включенным встречно-параллельно ему пассивным неуправляемым высокозапирающим электронным элементом с однонаправленным направлением пропускания тока, например диодом. Первые 2 и вторые 3 силовые полупроводниковые выключатели, выполненные на фиг.1a, 1b, 1с, 2 в виде двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, установлены в пределах соответствующей коммутационной группы 1.1, ..., 1.n, 5.1, ..., 5.р, 6.1, ..., 6.р таким образом, что они имеют встречное управляемое направление главного тока, т.е. управляемые электронные элементы с однонаправленным направлением пропускания тока имеют встречные по отношению друг к другу управляемые направления главного тока. Кроме того, пассивные неуправляемые электронные элементы с однонаправленным направлением пропускания тока первых 2 и вторых 3 силовых полупроводниковых выключателей на фиг.1а, 1b, 1с, 2 установлены в пределах соответствующей коммутационной группы 1.1, ..., 1.n, 5.1, ..., 5.р, 6.1, ..., 6.р таким образом, что они имеют встречные по отношению друг к другу управляемые направления тока.

Соответствующий однонаправленный силовой полупроводниковый выключатель в вариантах выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению на фиг.3а, 3b, 4 образован преимущественно пассивным неуправляемым электронным элементом с однонаправленным направлением пропускания тока, например диодом. Как уже сказано, преобразовательная схема согласно изобретению на фиг.3а, 3b, 4 за счет этой меры может быть дополнительно упрощена настолько, что потребуется меньше управляемых электронных элементов с однонаправленным направлением пропускания тока и затраты на управление можно будет тем самым резко снизить. Первые 2 и вторые 3 силовые полупроводниковые выключатели, выполненные на фиг.3а, 3b, 4 в виде двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, установлены в пределах соответствующей первой коммутационной группы 1.1, ..., 1.n таким образом, что они имеют встречное управляемое направление главного тока, т.е. управляемые электронные элементы с однонаправленным направлением пропускания тока имеют встречные по отношению друг к другу управляемые направления главного тока. Далее на фиг.3а, 3b у соответствующей второй 5.1, ...,5.р и третьей 6.1, ..., 6.р коммутационных групп пассивные неуправляемые электронные элементы с однонаправленным направлением пропускания тока первого 2 и второго 3 силовых полупроводниковых выключателей установлены в пределах соответствующей второй 5.1,...,5.р и третьей 6.1, ..., 6.р коммутационных групп таким образом, что они имеют встречные по отношению друг к другу направления тока. Наконец, первые 2 и вторые 3 силовые полупроводниковые выключатели, выполненные на фиг.4 в виде однонаправленных силовых полупроводниковых выключателей, установлены в пределах соответствующей второй 5.1, ..., 5.р и третьей 6.1, ..., 6.р коммутационных групп таким образом, что они имеют встречные по отношению друг к другу направления тока.

Кроме того, весьма предпочтительной оказалась интеграция у n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n двух первых силовых полупроводниковых выключателей 2 соответственно соседних первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n в один модуль, т.е. у нескольких имеющихся первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n в один модуль интегрированы первый силовой полупроводниковый выключатель 2 n-й первой коммутационной группы 1.n и первый силовой полупроводниковый выключатель 2 (n-1)-й первой коммутационной группы 1.(n-l), первый силовой полупроводниковый выключатель 2 (n-1)-й первой коммутационной группы 1.(n-1) и первый силовой полупроводниковый выключатель 2 (n-2)-й первой коммутационной группы 1.(n-2) и т.д. Далее оказалась предпочтительной интеграция у n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n двух вторых силовых полупроводниковых выключателей 3 соответственно соседних первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n в один модуль, т.е. у нескольких имеющихся первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n в один модуль интегрированы второй силовой полупроводниковый выключатель 3 n-й первой коммутационной группы 1.n и второй силовой полупроводниковый выключатель 3 (n-1)-й первой коммутационной группы 1.(n-1), второй силовой полупроводниковый выключатель 3 (n-1)-й первой коммутационной группы 1.(n-1) и второй силовой полупроводниковый выключатель 3 (n-2)-й первой коммутационной группы 1.(n-2) и т.д. Такие модули являются обычно стандартными полумостовыми модулями и в соответствии с этим просты по конструкции, мало подвержены сбоям и к тому же недороги. Далее у нескольких имеющихся вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р оказалась предпочтительной интеграция у р вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р двух первых силовых полупроводниковых выключателей 2 соответственно соседних вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р в один модуль и двух вторых силовых полупроводниковых выключателей 3 соответственно соседних вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р также в один модуль подробно описанным выше для первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n образом. Кроме того, у нескольких имеющихся третьих коммутационных групп 6.1, ..., 6.р оказалась предпочтительной интеграция у р третьих коммутационных групп 6.1, ..., 6.р двух первых силовых полупроводниковых выключателей 2 соответственно соседних третьих коммутационных групп 6.1, ..., 6.р в один модуль и двух вторых силовых полупроводниковых выключателей 3 соответственно соседних третьих коммутационных групп 6.1, ..., 6.р также в один модуль подробно описанным выше для первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n образом. Понятно, что подробно описанная выше интеграция соответствующих первых 2 и вторых 3 силовых полупроводниковых выключателей относится ко всем вариантам выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению на фиг.1а-4.

Возможна также интеграция у n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n, p вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп соответственно первого 2 и второго 3 силовых полупроводниковых выключателей в один модуль. Как уже сказано, также модули являются обычно стандартными полумостовыми модулями и в соответствии с этим просты по конструкции, мало подвержены сбоям и к тому же недороги. Здесь понятно, что подробно описанная выше интеграция соответствующих первых 2 и вторых 3 силовых полупроводниковых выключателей относится ко всем вариантам выполнения преобразовательной схемы согласно изобретению на фиг.1а-4.

У многофазно реализуемой преобразовательной схемы согласно изобретению преимущественно параллельно между собой соединены р-е вторые коммутационные группы 5.р фаз R, S, Т и р-е третьи коммутационные группы 6.р фаз R, S, Т. Соответствующие соединения происходят на конденсаторах 4 соответствующих вторых коммутационных групп 5.р и на конденсаторах 4 соответствующих третьих коммутационных групп 6.р.

Для того чтобы предпочтительно у многофазно реализованной преобразовательной схемы можно было сэкономить место, конденсаторы 4 р-х вторых коммутационных групп 5.р фаз R, S, Т преимущественно объединены в один конденсатор. Кроме того, конденсаторы 4 р-х третьих коммутационных групп 6.р фаз R, S, Т преимущественно также объединены в один конденсатор.

В целом, преобразовательная схема согласно изобретению для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения представляет собой, таким образом, решение, которое отличается небольшой аккумулированной электрической энергией во время своей работы и компактной конструкцией и является тем самым несложным, стабильным и мало подверженным сбоям устройством.

Перечень ссылочных позиций

1.1, ..., 1.n - первые коммутационные группы,

2 - первый силовой полупроводниковый выключатель,

3 - второй силовой полупроводниковый выключатель,

4 - конденсатор,

5.1, ..., 5.р - вторые коммутационные группы,

6.1, ..., 6.р - третьи коммутационные группы,

7 - контур ограничения напряжения.