Статический многоуровневый преобразователь частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания асинхронных и синхронных электродвигателей напряжением свыше 3 кВ и мощностью 0,5-15 МВт от трехфазной или однофазной сети переменного тока с потреблением синусоидального тока с коэффициентом мощности, близким к единице, и рекуперацией энергии в сеть при генераторном торможении электродвигателя. Техническим результатом является расширение арсенала преобразователей частоты. Статический многоуровневый преобразователь частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей содержит силовой трансформатор, выходной фильтр, главный блок управления, инверторно-рекуперационные модули, состоящие из силовых транзисторов со встроенными обратными диодами, образующих два однофазных моста, соединенных параллельно по цепи постоянного тока через датчик тока. К цепи постоянного тока первого моста подключена батарея конденсаторов и датчик напряжения. Цепь переменного тока первого моста подключена к одной из вторичных обмоток силового трансформатора через датчик тока и ключ, состоящий из двух тиристоров, соединенных встречно-параллельно. Цепь переменного тока второго моста, являющаяся выходом модуля, включена последовательно с выходами других модулей, образуя три группы, соединенные в звезду. Каждый модуль содержит местный блок управления для формирования импульсов управления силовыми транзисторами в соответствии с текущим режимом работы модуля и сигналами управления, поступающими по оптическому каналу с главного блока управления. 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям частоты, использование для питания, пуска и регулирования асинхронных и синхронных электродвигателей напряжением 6,3 и 10 кВ и мощностью 0,5-15 МВт.

Уровень техники

Известным устройством аналогичного назначения, которое широко применяется в настоящее время, является преобразователь частоты, выполненный по схеме с двумя трансформаторами и низковольтным (до 1000 В) преобразователем частоты, включенным между ними. Основные параметры таких систем и требования к применяемым в них трансформаторам описаны в [1]. Применение в таком решении серийно выпускаемых инверторных модулей на напряжение 380 В делает преобразователь довольно простым и надежным в эксплуатации. Недостатками такого преобразователя частоты являются наличие двух трансформаторов на полную мощность электродвигателя, отсутствие функции рекуперации энергии в сеть при принудительном торможении электродвигателя, низкий коэффициент потребляемой мощности из-за несинусоидальности входного тока, необходимость применения громоздких фильтрокомпенсирующих устройств на входе преобразователя и громоздкого выходного фильтра для обеспечения электромагнитной совместимости.

Также хорошо известны преобразователи частоты, построенные по безтрансформаторной схеме на последовательно соединенных полупроводниковых приборах. Разновидности таких схем описаны в [2] (электронная версия в интернете - http://news.elteh.ru/arh/2005/32/09.php). Существенным недостатком таких схем является неравномерное распределение напряжения между полупроводниковыми приборами из-за разброса их параметров как в статике, так и в динамике. Это требует применения специальных защитных цепей, рассеивающих заметную мощность, и снижает максимальную частоту переключения. Коммутация высоких напряжений приводит к высокому уровню электромагнитных помех, генерируемых преобразователем. Для обеспечения электромагнитной совместимости необходим громоздкий LC-фильтр на выходе преобразователя, рассчитанный на полное амплитудное значение напряжения и высокую частоту ШИМ. На входе преобразователя требуется фильтрокомпенсирующее устройство для обеспечения электромагнитной совместимости и качественный фильтр радиопомех. Отсутствие функции рекуперации энергии в сеть снижает эксплутационные свойства преобразователя, так как исключает работу преобразователя в режимах принудительного генераторного торможения электродвигателя.

Одним из схемотехнических решений является однотрансформаторная схема, состоящая из силового трансформатора с множеством вторичных обмоток и одинаковых выпрямительно-инверторных ячеек, соединяемых последовательно для наращивания выходного напряжения. Одним из примеров такого решения является устройство, описанное в [3]. Устройство содержит простые выпрямительно-инверторные ячейки, но сложный силовой трансформатор с множеством вторичных обмоток, соединенных зигзагом для снижения гармоник во входном токе. Также такое устройство не обеспечивает рекуперацию энергии в сеть при генераторном торможении электродвигателя.

В качестве наиболее близкого аналога заявленного изобретения можно указать преобразователь частоты, описанный в [4]. Преобразователь содержит силовой трансформатор, имеющий первичную и множество изолированных вторичных обмоток. Конструкция силового трансформатора проще, чем в устройстве [3], но для снижения гармоник входного тока требуется сложный трехфазный мостовой инвертор на входе каждой ячейки. Кроме того, устройство не предусматривает плавный заряд конденсаторной батареи при включении устройства в сеть. Это может привести к провалам напряжения в питающей сети и сбоям в работе другого оборудования. Также ударные токи, возникающие при включении, могут вывести полупроводниковые приборы из строя.

Сущность изобретения.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является расширение арсенала преобразователей частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей напряжением свыше 3 кВ и мощностью 0,5-15 МВт.

Асинхронный электродвигатель - наиболее простое, надежное и экономичное решение для построения электроприводов в различных областях промышленности. Существенным недостатком асинхронного двигателя является невозможность регулирования оборотов вала только изменением напряжения, необходимо также изменять и частоту. Для обеспечения оптимального режима работы электродвигателя при постоянной величине магнитного потока требуется выполнять соотношение U/f=const, где U - напряжение питающей сети; f - частота питающей сети.

При эксплуатации электродвигателя в режиме генераторного торможения необходимо также обеспечить рекуперацию энергии в питающую сеть.

Синхронный электродвигатель получил широкое применение в промышленности благодаря способности работать непосредственно от сети переменного тока с высоким коэффициентом мощности, вследствие чего имеет меньшие массогабаритные показатели, чем асинхронный двигатель. Для регулирования оборотов синхронного электродвигателя также необходимо выполнять соотношение U/f=const. Кроме того, для питания синхронного электродвигателя требуется дополнительное устройство возбуждения.

Техническим результатом заявленного изобретения является питание асинхронного или синхронного электродвигателя от трехфазной или однофазной сети переменного тока с потреблением синусоидального входного тока с коэффициентом мощности, близким к единице, и обеспечение синусоидального напряжения изменяемой частоты и амплитуды в соответствии с требуемым законом регулирования с возможностью рекуперации энергии в сеть при генераторном торможении электродвигателя.

Существенными признаками заявленного изобретения являются: входной силовой трансформатор, датчики входного напряжения, датчики выходного напряжения, датчики выходного тока, выходной LC-фильтр, главный блок управления.

Существенным отличительным признаком заявленного изобретения, обеспечивающим получение технического результата, является то, что преобразователь содержит инверторно-рекуперационные модули, соединенные последовательно в три группы, соединенные в звезду. Каждый модуль состоит из силовых транзисторов со встроенными обратными диодами, образующих два однофазных моста, соединенных параллельно по цепи постоянного тока через датчик тока. К цепи постоянного тока первого моста подключены батарея конденсаторов и датчик напряжения. Цепь переменного тока первого моста подключена к одной из вторичных обмоток силового трансформатора через датчик тока и ключ, состоящий из двух тиристоров, соединенных встречно-параллельно. Цепь переменного тока второго моста, являющаяся выходом модуля, включена последовательно с выходами других модулей таким образом, что образуется три группы, соединенные в звезду. Каждый модуль содержит местный блок управления, служащий для обработки сигналов с датчиков модуля и формирования импульсов управления силовыми транзисторами в соответствии с текущим режимом работы модуля и сигналами управления, поступающими по оптическому каналу с главного блока управления. Каждый модуль питается однофазным напряжением от одной отдельной вторичной обмотки силового трансформатора. Количество инверторно-рекуперационных модулей равно количеству вторичных обмоток силового трансформатора и определяется требуемым выходным напряжением преобразователя и рабочим напряжением одного модуля.

Устройство может работать как в инверторном, так и в рекуперационном режиме в соответствии с управляющими сигналами, поступающими с главного блока управления. Причем режим работы силовых транзисторов в каждом конкретном модуле определяется местным блоком управления индивидуально.

В инверторном режиме первый мост каждого модуля работает в режиме выпрямления с потреблением синусоидального тока из сети. Второй мост осуществляет инвертирование постоянного напряжения в требуемое выходное напряжение.

В рекуперационном режиме, при генераторном торможении двигателя, электрическая энергия поступает через второй мост в конденсаторную батарею. Первый мост осуществляет инвертирование напряжения конденсаторной батареи и формирование синусоидального тока во вторичной обмотке силового трансформатора, поступающего обратно в сеть.

В обоих режимах устройство потребляет и отдает обратно в сеть ток синусоидальной формы с коэффициентом мощности, близким к единице. На выходе устройства посредством многоуровневой ШИМ и выходного LC-фильтра формируется трехфазное синусоидальное напряжение для питания электродвигателя. Многоуровневая ШИМ позволяет значительно уменьшить размеры выходного LC-фильтра. Питание преобразователя возможно как от трехфазной, так и от однофазной сети переменного тока при использовании силового трансформатора броневой конструкции или группы из трех однофазных трансформаторов, соединенных в звезду. При отсутствии необходимости питания от однофазной сети целесообразно применять трехфазные трансформаторы стержневой конструкции для уменьшения массогабаритных показателей.

Перечисленная совокупность признаков обеспечивает получение указанного технического результата.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых блоков и их связями с остальными элементами схемы. Таким образом, изобретение является новым. Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями из смежных областей техники позволяет сделать вывод об отсутствии в них существенных отличительных признаков заявленного изобретения.

Перечень фигур чертежей и иных материалов.

На фиг.1 и 2 представлена электрическая принципиальная схема статического многоуровневого преобразователя частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей.

На фиг.3 представлена диаграмма входного напряжения и входного тока инверторно-рекуперационного модуля (ИРМ) при потреблении тока из сети.

На фиг.4 представлена диаграмма выходного фазного напряжения преобразователя при работе трех инверторно-рекуперационных модулей на фазу (N=3).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Схема электрическая принципиальная заявленного изобретения "Статический многоуровневый преобразователь частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей" показана на фиг.1 и 2. В состав устройства входят: входной силовой трансформатор 11, датчики напряжения (ДН) на входе 8, 9, 10, датчики напряжения на выходе 39, 40, 41, датчики тока (ДТ) на выходе 30, 31, 32, выходной LC-фильтр на элементах 33, 34, 35, 36, 37, 38, главный блок управления 45, инверторно-рекуперационные модули (ИРМ) 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 29, каждый из которых состоит из силовых транзисторов, образующих два однофазных моста. Первый однофазный мост состоит из транзисторов 48, 49, 57, 58. Второй однофазный мост состоит из транзисторов 50, 51, 59, 60. Мосты соединены параллельно по цепи постоянного тока через датчик тока 47. Также в состав модуля входит батарея конденсаторов 55, датчик напряжения 56, датчика тока 52, тиристорный ключ, состоящий из двух тиристоров 53, 54, соединенных встречно-параллельно, местный блок управления 46.

Сетевое трехфазное напряжение подключается к клеммам 1, 2, 3 и 4 первичной обмотки 5, 6, 7 силового трансформатора 11. При питании от однофазной сети входное напряжение подключается к объединенным клеммам 1, 2, 3 и клемме нейтрали 4 (конструкция силового трансформатора должна предусматривать такое включение). Далее с вторичных обмоток 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 напряжение поступает на инверторно-рекуперационные модули (ИРМ) 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 29, соединенные последовательно в три группы, соединенные в звезду, к выходу которых подключен выходной LC-фильтр на элементах 33, 34, 35, 36, 37, 38 через датчики выходного тока 30, 31, 32. На входе каждого модуля установлен тиристорный ключ на тиристорах 53, 54, который служит для плавного заряда конденсаторной батареи 55 при подаче входного напряжения и для защиты вторичной обмотки силового трансформатора от перегрузки по току при аварийном режиме. После тиристорного ключа напряжение поступает на вход переменного напряжения первого моста, состоящего из транзисторов 48, 49, 57, 58, через датчик тока 52. С выхода постоянного тока первого моста напряжение поступает на конденсаторную батарею 55, служащую для фильтрации переменной составляющей тока ШИМ и сетевого тока. С выхода конденсаторной батареи 55, через датчик тока 47, напряжение поступает на вход постоянного тока второго моста, состоящего из силовых транзисторов 50, 51, 59, 60. Сигналы с датчиков тока 47, 52 и датчика напряжения 56, подключенного к выходу конденсаторной батареи 55, поступают на входы местного блока управления 46, формирующего импульсы управления силовыми транзисторами первого и второго моста, а также тиристорным ключом на входе инверторно-рекуперационного модуля.

Устройство работает следующим образом. При включении устройства в сеть переменное напряжение с вторичных обмоток силового трансформатора 11 поступает на инверторно-рекуперационные модули (ИРМ) 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 29. Главный блок управления, анализируя сигналы с датчиков входного напряжения и сигналы управления с внешней управляющей системы, формирует команды на включение модулей, передаваемые по оптическим каналам в местные блоки управления. Вместе с командами передаются параметры входной сети и импульсы синхронизации. Местный блок управления, получив команду с главного блока управления, осуществляет плавный заряд конденсаторной батареи 55 путем плавного увеличения угла проводимости тиристоров 53, 54 от 0 до 180°. После заряда конденсаторной батареи местный блок управления передает сигналы о готовности на главный блок управления, а также текущие параметры состояния модуля. При получении сигналов о готовности всех блоков главный блок управления формирует коды управления с импульсами синхронизации для каждого модуля. В соответствии с полученными кодами местный блок управления каждого модуля формирует импульсы управления силовыми транзисторами. При этом местный блок управления анализирует направление передачи энергии и задает режим работы первого моста модуля. При потреблении энергии электродвигателем местный блок управления формирует импульсы управления силовыми транзисторами первого моста по алгоритму формирования синусоидального тока методом ШИМ. Диаграмма, иллюстрирующая процесс формирования синусоидального входного тока, показана на фиг.3. При положительной полуволне входного напряжения в момент времени t1 начала очередного периода ШИМ производится включение транзистора 49. Транзисторы 57, 58 при этом заперты. По цепи вторичной обмотки силового трансформатора через открытый транзистор 49 и обратный диод транзистора 48 под действием входного напряжения начинает протекать нарастающий ток, ограниченный индуктивностью рассеяния обмотки силового трансформатора. В момент времени t2 транзистор 49 закрывается и открывается обратный диод транзистора 58. Ток вторичной обмотки силового трансформатора, поддерживаемый индуктивностью рассеяния, заряжает конденсаторную батарею 55. Далее в момент времени t3 транзистор 49 открывается и процесс повторяется. Величина пульсаций входного тока определяется частотой ШИМ и величиной индуктивности рассеяния обмотки силового трансформатора. При отрицательной полуволне входного напряжения аналогично происходит переключение транзистора 48. При работе электродвигателя в режиме генераторного торможения напряжение на конденсаторной батарее повышается, и местный блок управления переходит в режим рекуперации и формирует импульсы управления первым мостом по алгоритму формирования синусоидального тока для возврата в сеть. Сглаживание входного тока также осуществляется индуктивностью рассеяния обмоток силового трансформатора. Частота ШИМ различных модулей сдвинута по фазе для уменьшения переменной составляющей входного тока в первичной обмотке силового трансформатора. Диаграмма, иллюстрирующая процесс формирования выходного напряжения, показана на фиг.4. Диаграммы показаны для случая работы трех модулей на фазу (13, 19, 25). Для обеспечения нулевого выходного напряжения транзисторы 59, 60 каждого модуля закрыты, транзисторы 50, 51 - открыты. При формировании положительной полуволны напряжения в момент времени t0 в модуле 13 происходит запирание транзистора 50 и отпирание транзистора 59 с частотой ШИМ. К моменту времени t1 транзисторы 59, 51 постоянно открыты, а транзисторы 50, 60 постоянно закрыты. Этим обеспечивается выходное напряжение, равное напряжению первого модуля. Для дальнейшего увеличения выходного напряжения происходит запирание транзистора 50 и отпирание транзистора 59 следующего модуля 19 на частоте ШИМ до момента t2. В момент времени t2 происходит подключение напряжения модуля 25. Таким образом выходные напряжения модулей складываются, и на выходе формируется результирующее напряжение, являющееся суммой напряжений выходов всех модулей. При формировании отрицательной полуволны выходного напряжения модули работают в той же последовательности, но с формированием отрицательного напряжения на выходе каждого модуля. Для этого производится запирание транзисторов 51, 59 и отпирание транзисторов 50, 60.

Источники информации

1. Зборовский И.А. Трансформаторы для преобразователей частоты. - Электротехника, 1999, №7, с.3-13.

2. Лазарев Г.Б. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода. Построение различных систем. - Новости электротехники, 2005, №2, с.23.

3. Патент США №5625545, Н02М 7/515, 1997, фиг.1.

4. Патент США №US 2004240237, Н02J 1/02, 2004, фиг.2.

Статический многоуровневый преобразователь частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей, содержащий силовой трансформатор, выходной фильтр, главный блок управления, отличающийся тем, что содержит инверторно-рекуперационные модули, каждый из которых состоит из силовых транзисторов со встроенными обратными диодами, образующих два однофазных моста, соединенных параллельно по цепи постоянного тока через датчик тока, причем к цепи постоянного тока первого моста подключена батарея конденсаторов, а цепь переменного тока первого моста подключена к одной из вторичных обмоток силового трансформатора через датчик тока и ключ, состоящий из двух тиристоров, соединенных встречно-параллельно, а цепь переменного тока второго моста, являющаяся выходом модуля, включена последовательно с выходами других модулей таким образом, что образуются три группы, соединенные в звезду, к выходу которых подключен выходной фильтр через датчик тока, причем каждый модуль содержит местный блок управления, служащий для формирования импульсов управления силовыми транзисторами в соответствии с текущими параметрами и сигналами управления, поступающими по оптическому каналу с главного блока управления.