Многоуровневый высокоскоростной регулируемый привод
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в многоуровневом высокоскоростном регулируемом приводе. Техническим результатом является снижение потерь путем устранения 5-й, 7-й гарминических искажений кривых токов. Многоуровневый высокоскоростной регулируемый привод имеет множество модульных многоуровневых, трехфазных инверторных мостов, при этом многоуровневые, трехфазные инверторные мосты функционируют с основной частотой f, причем многоуровневые, трехфазные инверторные мосты содержат по меньшей мере три уровня. Многоуровневые, трехфазные инверторные мосты функционируют в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с 9-21 x или функционируют в режиме основной частоты (РОЧ). Частота коммутации инверторов равняется основной частоте, причем многоуровневые, трехфазные инверторы функционируют с разделенной фазой, так что одна группа смещена от другой на угол, θ = 60°/q, при этом сдвиг фаз гармонической составляющей порядка n между группами, θn, равняется nθ/q. Высокоскоростной многофазный электродвигатель выполнен с фазами, скомпонованными в q трехфазные группы и содержит электромагнитное средство для блокировки выбранных групп гармоник с пропусканием составляющих с основной частотой f. Электромагнитное средство содержит катушки, по которым течет ток электродвигателя, связанные при помощи магнитного сердечника; электромагнитное средство расположено между множеством модульных многоуровневых, трехфазных инверторных мостов и высокоскоростным многофазным электродвигателем. 16 з.п. ф-лы, 13 ил.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
1. Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится, в целом, к схеме регулируемого привода и способам, и, более конкретно, к схеме многоуровневого высокоскоростного регулируемого привода и способам. Еще более конкретно, настоящее изобретение относится к схеме многоуровневого высокоскоростного регулируемого привода и способам для приведения в действие высокочастотных средневольтных электродвигателей.
2. Рассмотрение предшествующего уровня техники
Центробежные компрессоры для практических применений, связанных с трубопроводами природного газа или обработкой природного газа, функционируют с частотами вращения в диапазоне от 5000 до 20000 оборотов в минуту с уровнями мощности от 25 до 2 МВт, соответственно, при этом более низкая частота вращения связана с более высокими уровнями мощности и наоборот. Как правило, в случае если компрессоры имеют электрический привод, электродвигатель является низкооборотным 50 или 60 Гц электродвигателем (максимальное число оборотов в минуту составляет 3600), который приводит в действие компрессор через повышающий частоту вращения редуктор. В последнее время наблюдался повышенный интерес к высокоскоростным электродвигателям, которые могут напрямую приводить в действие газовый компрессор, тем самым устраняя необходимость в наличии редуктора. В любом случае для приведения в действие электродвигателя обычно требуется регулируемый привод (РП), прежде всего потому, что момент инерции нагрузки является высоким, а также затруднен прямой пуск от линии электропитания, и, во-вторых, поскольку РП позволяет в случае компрессора, приводимого в действие электродвигателем, изменять поток газа без потерь энергии, связанных с дросселированием потока. Большинство коммерчески доступных решений РП, в частности больших средневольтных (СВ) (значения напряжений от 2,4 кВ до 13,8 кВ), разработаны для функционирования совместно с низкооборотными электродвигателями, работающими с частотой электропитания не более 50 или 60 Гц. Таким образом, технологию устройств управления и коммутации адаптируют для удовлетворения потребностей этого низкооборотного сегмента рынка. Фактически, нормальный способ синтезирования синусоидального напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) сталкивается с ограничениями со стандартными трехфазными РП, когда основная частота превышает 200 Гц, так как ШИМ обычно требует, чтобы полупроводниковые устройства переключались с частотой в девять или более раз кратной основной частоте или 1,8 кГц. Проблема еще более усложняется, когда используются полупроводники (например биполярные транзисторы с изолированным затвором с напряжением более 1700 В) типа, необходимого для СВ выхода, поскольку они могут быть ограничены только до частоты переключения 900 Гц (Примечание: относительно недавно опубликованные данные производителей по СВ приводам будут показывать ограничения в 120-200 Гц для основной частоты).
Критическое требование для любого РП этого типа заключается в том, что гармоническое искажение в электродвигателе должно поддерживаться на очень низком уровне (намного менее 5% КГИ). Это связано с тем, что сопротивление обмоток электродвигателя увеличивается с частотой переменного тока (АС), и в случае конструкции высокоскоростного электродвигателя избежание потерь путем минимизации гармоник является критическим требованием для сочетания электродвигателя и инвертора. На фиг. 1 показаны формы кривых тока согласно предшествующему уровню техники с чрезмерной долей 5-го и 7-го гармонических искажений. Основной задачей является устранение таких гармоник до такой степени, чтобы такая система могла быть применена к высокомощному, высокоскоростному (более 3600 оборотов в минуту) электродвигателю на практике.
Сущность изобретения
Несколько вариантов осуществления настоящего изобретения преимущественно направлены на удовлетворение описанных выше потребностей, а также других потребностей путем предоставления многоуровневого высокоскоростного регулируемого привода.
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящее изобретение представляет собой систему, содержащую множество модульных многоуровневых, трехфазных инверторных мостов, при этом множество q многоуровневых, трехфазных инверторных мостов функционируют с основной частотой, f, при этом q является целым числом в диапазоне от 2 до 5 или любым числом, которое может быть реализовано на практике описанным ниже образом, при этом многоуровневые, трехфазные инверторные мосты содержат по меньше мере три уровня, при этом многоуровневые, трехфазные инверторные мосты функционируют в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой модуляции, составляющей минимум 9 х основной частоты, или они функционируют в режиме основной частоты (РОЧ), при этом частота коммутации инверторов в этом режиме равняется основной частоте, причем q многоуровневых, трехфазных инверторов функционируют с разделением фаз, так что одна группа смещена от другой на фазовый угол, θ=60°/q, при этом сдвиг фаз между группами, θn, равняется nθ/q, где n представляет собой порядок гармоники; высокоскоростной многофазный электродвигатель с фазами, скомпонованными в q трехфазных групп; и электромагнитное средство для блокировки выбранных групп гармоник с пропусканием составляющих с основной частотой, f, при этом электромагнитное средство содержит катушки, по которым течет ток электродвигателя, связанные при помощи магнитного сердечника, причем электромагнитное средство расположено между множеством q модульных многоуровневых, трехфазных инверторных мостов и высокоскоростным многофазным электродвигателем.
Краткое описание чертежей
Описанные выше и другие аспекты, признаки и преимущества нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего более подробного описания, представленного совместно со следующими фигурами.
На фиг. 1 представлен график зависимости тока обмотки электродвигателя от времени, показывающий эффект регулируемого привода в уровне техники с чрезмерной долей 5-го и 7-го гармонических искажений.
На фиг. 2 представлена блок схема многоуровневого высокоскоростного регулируемого привода в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение многоуровневого высокоскоростного регулируемого привода, представленного на фиг. 2.
На фиг. 4 представлен график линейного напряжения в течение одного цикла основной частоты, который показывает линейное напряжение при номинальном условии работы, которое сгенерировано многоуровневым высокоскоростным регулируемым приводом, показанным на фиг. 2.
На фиг. 5 представлено схематическое изображение зигзагообразной конфигурации межфазного трансформатора многоуровневого высокоскоростного регулируемого привода, показанного на фиг. 2.
На фиг. 6 представлена векторная диаграмма, иллюстрирующая сбалансированные напряжения и предполагаемые токи от каждого инвертора многоуровневого высоковольтного регулируемого привода, показанного на фиг. 2.
На фиг. 7 и 8 представлены фазорные диаграммы, иллюстрирующие 5-е и 7-е гармонические напряжения и последовательности чередования фаз, положительные и отрицательные, соответственно, которые сгененрированы устройством блокирования гармоник, входящим в состав многоуровневого высоковольтного регулируемого привода, показанного на фиг. 2.
На фиг. 9 представлен график линейных напряжений электродвигателя в течение одного цикла основной частоты после устройства блокирования гармоник, при этом напряжение, показанное на фиг. 7 и 8, поступает из инвертора многоуровневого высоковольтного регулируемого привода, показанного на фиг. 2.
На фиг. 10 представлено схематическое изображение альтернативного варианта осуществления межфазного трансформатора, показанного на фиг. 5.
На фиг. 11 представлено схематическое изображение дополнительного альтернативного варианта осуществления межфазного трансформатора, показанного на фиг. 5.
На фиг. 12 представлено схематическое изображение девятифазного варианта осуществления межфазного трансформатора, показанного на фиг. 5.
На фиг. 13 представлена блок схема двенадцатифазного варианта осуществления системы, показанной на фиг. 1.
На нескольких видах соответствующие позиции используются для обозначения соответствующих компонентов. Специалистам в данной области техники будет понятно, что элементы на фигурах представлены в упрощенном виде и не обязательно изображены с соблюдением масштаба. Например, размеры некоторых элементов на фигурах могут быть изображены увеличенными по сравнению с другими элементами, чтобы обеспечить лучшее понимание различных вариантов осуществления настоящего изобретения. Кроме того, обычные и хорошо понятные элементы, которые используются или необходимы в коммерческом варианте осуществления, часто отсутствуют на фигурах, чтобы не загромождать вид этих различных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Следует понимать, что приведенное ниже описание не является ограничивающим, а представлено лишь с целью пояснения главных принципов иллюстративных вариантов осуществления. Объем настоящего изобретения должен определяться со ссылкой на формулу изобретения.
Под ссылкой в описании на «один вариант осуществления», «некоторый вариант осуществления» или подобное следует понимать, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с некоторым вариантом осуществления, включаются по меньшей мере в один вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, фразы «согласно одному варианту осуществления», «согласно некоторому варианту осуществления» и подобные по всему описанию могут, но не обязательно, все относится к одному варианту осуществления.
Настоящий вариант осуществления устраняет барьер основной частоты, типичный для многих конструкций регулируемых приводов (РП), путем функционирования трехуровневого или многоуровневого инвертора в режиме основной частоты (РОЧ), в котором квазипрямоугольная волна переменного напряжения создается инвертором с очень высокой эффективностью, как правило, более 99,4%. В РОЧ переключатели инвертора коммутируются только один раз за цикл основной частоты. Выходное напряжение РОЧ имеет высокий процент 5-й, 7-й и других гармоник выходного напряжения. Если это напряжение подать непосредственно на электродвигатель с постоянными магнитами (ПМ) или на индукторный электродвигатель, то результирующий несинусоидальный ток будет вызывать чрезмерные потери на роторе электродвигателя, снижая эффективность и, возможно, перегревая электродвигатель. Дополнительный побочный эффект может заключаться в создании вибрационного момента или пульсации крутящего момента, что при частоте, совпадающей с механическим резонансом, может разрушить вал электродвигателя и/или муфту. Основной задачей настоящего изобретения является согласование выхода РОЧ инвертора таким образом, чтобы уменьшить или устранить гармоники нижнего порядка в электродвигателе и описанные выше побочные эффекты. Это способствует созданию высоковольтного, высокомощного инвертора без последовательных соединений полупроводниковых переключателей пониженного напряжения. Альтернативно, инвертор функционирует без последовательного соединения выходов переменного тока из многочисленных инверторных мостов, которые обязательно требуют многочисленных индивидуальных изолированных источников постоянного напряжения, как требуется в общей цепи инвертора типа Cascade H-Bridge (СНВ) согласно патенту США №5,625,545.
Фактически, благодаря внедрению в практику настоящего изобретения контроллер может быть выполнен в качестве шестифазной системы, а не более сложной двенадцатифазной системы, известной из уровня техники (например, Sabin и другие, патент США №2008/010362). Это минимизирует сложность и увеличивает надежность.
Рассмотрим вначале фиг. 2, на которой показана блок схема многоуровневого высокоскоростного (более 3600 оборотов в минуту) регулируемого привода в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фигуре показаны первый многоуровневый, трехфазный инвертор 2 напряжения и второй многоуровневый, трехфазный инвертор 4 напряжения, первый(ые) источник(и) 1 электропитания постоянного тока, второй источник 3 электропитания постоянного тока, межфазный трансформатор 5 и шестифазный электродвигатель 6.
Первый источник 1 электропитания постоянного тока соединен с первым трехфазным инвертором 2 напряжения, и второй источник 3 электропитания постоянного тока соединен со вторым трехфазным инвертором 4 напряжения.
Первый трехфазный инвертор 2 напряжения и второй трехфазный инвертор 4 напряжения, соответственно, соединены с первой и второй входными клеммами межфазного трансформатора 5. Выходные клеммы межфазного трансформатора 5 соединены с соответствующими трехфазными обмотками шестифазного электродвигателя 6.
Первый и второй трехфазные инверторы 2, 4 напряжения получают питание постоянного тока от первого и второго источников 1, 3 электропитания постоянного тока и преобразовывают его в шестифазный, переменный ток с изменяющейся частотой для электродвигателя 6, при этом они сконфигурированы в качестве двух трехфазных инверторов, выполненных в качестве модулей. Используя модульные инверторы, специалист может легко сконфигурировать два стандартных модуля для шестифазной работы или четыре стандартных модуля для двенадцатифазной работы. Согласно этому варианту осуществления ограничения до 3% общего коэффициента гармонических искажений (КГИ) удовлетворяются посредством шестифазной или, другими словами, двенадцатистадийной работы. Пары модулей инверторов функционируют с суммарным 30° сдвигом фаз, так что подавляются 5-я и 7-я гармонические составляющие напряжения. Для того чтобы это подавление было полным, предусмотрен межфазный трансформатор 5 с зигзагообразной конфигурацией. Кроме того, обмотки шестифазного электродвигателя смещены по фазе аналогично соответствующим инверторным мостам. Эта компоновка цепи обеспечивает работу не в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с относительно медленно переключающимися биполярными транзисторами с изолированным затвором (БТИЗ) с напряжением 6500 В при 99,4% эффективности инверторного моста на максимальном числе оборотов и низком общем коэффициенте гармонического искажения (КГИ) на некотором участке рабочего диапазона в 2500-15000 оборотов в минуту электродвигателя 6.
Первый трехфазный инвертор 2 напряжения и второй трехфазный инвертор 4 напряжения функционируют со сдвигом фаз на 30 градусов в выходном напряжении. Основной задачей межфазного трансформатора 5 с зигзагообразной конфигурацией является блокирование 5-го, 7-го и всех других 6k+/-1 порядка, где k нечетное число, т.е. 5-го, 7-го, 19-го, 21-го, 33-го, 35-го, …, гармонических напряжений, генерируемых первым трехфазным инвертором 2 напряжения и вторым трехфазным инвертором 4 напряжения, чтобы они не попадали в электродвигатель 6.
Рассмотрим фиг. 3, на которой представлено схематическое изображение многоуровневого высокоскоростного регулируемого привода, показанного на фиг. 2.
На фигуре показаны первый многоуровневый, трехфазный инвертор 2 напряжения и второй многоуровневый, трехфазный инвертор 4 напряжения, первый(ые) источник(и) 1 электропитания постоянного тока, второй источник 3 электропитания постоянного тока, межфазный трансформатор 5 и шестифазный электродвигатель 6.
Первый источник 1 электропитания постоянного тока соединен с первым трехфазным инвертором 2 напряжения, и второй источник 3 электропитания постоянного тока соединен со вторым трехфазным инвертором 4 напряжения. Источники 1, 3 электропитания постоянного тока могут быть соединены параллельно или могут быть выполнены независимыми в зависимости от условий источника питания, как показано пунктирными линиями 7.
Первый трехфазный инвертор 2 напряжения и второй трехфазный инвертор 4 напряжения, соответственно, соединены с первым и вторым наборами входных клемм из первой и второй отдельных цепей межфазного трансформатора 5. Выходные клеммы межфазного трансформатора 5 соединены с соответствующими трехфазными обмотками шестифазного электродвигателя 6. Каждая трехфазная обмотка является фазой, смещенной на 30 градусов относительно соседней трехфазной обмотки. Такой сдвиг фаз в электродвигателе достигается, например, путем размещения каждой трехфазной обмотки в половине из множества пазов статора электродвигателя и остальной обмотки в оставшихся пазах. Если четырехполюсный, шестифазный электродвигатель имеет 48 пазов, то 24 паза предназначаются для фаз ABC, а остальные 24 паза предназначаются для DEF, при этом имеются две катушки на одну фазу, на один полюс.
Первый трехфазный инвертор 2 напряжения и второй трехфазный инвертор 4 напряжения функционируют со сдвигом фаз на 30 градусов по выходному напряжению. Основной задачей межфазного трансформатора 5 с зигзагообразной конфигурацией является блокирование 5-го, 7-го и всех других 6k+/-1 порядка, где k нечетное число, т.е. 5-го, 7-го, 19-го, 21-го, 33-го, 35-го, …, гармонических напряжений, генерируемых первым трехфазным инвертором 2 напряжения и вторым трехфазным инвертором 4 напряжения, чтобы они не попадали в электродвигатель 6.
Предлагаемый регулируемый привод изображен с трехуровневой, 2×3 фазной топологией, характеризуется максимальной мощностью 8 МВт, максимальной частотой 750 Гц и максимальным напряжением 4600 вольт переменного тока. Этот вариант осуществления может быть использован в промышленности для практических применений в диапазоне от 100 кВт, 150000 оборотов в минуту при 500 вольтах переменного тока до 50 МВт, 5000 оборотов в минуту при 13800 вольтах переменного тока. В общем случае для промышленных применений частота вращения, как правило, обратно пропорциональна уровню мощности и физическому размеру. Небольшие электродвигатели не могут функционировать при высоком напряжении из-за ограничений по размеру пазов и толщины изоляции. Большие электродвигатели не могут работать при низких напряжениях из-за физического размера соединений между электродвигателем и инвертором. Такие уровни мощности и напряжения являются примером того, что легко достижимо с использованием коммерчески доступных БТИЗ. Более высокие и низкие номинальные напряжения могут быть достигнуты путем использования последовательной работы устройств или более высокие номинальные токи могут быть достигнуты путем использования параллельной работы устройств или модулей. Аналогичные преимущества могут быть достигнуты при использовании трехфазных инверторных мостов с более чем тремя уровнями.
Рассмотрим фиг. 4, на которой представлен график линейного напряжения по угловому эквиваленту цикла основной частоты от 0 до 360 градусов, который показывает линейное напряжение при номинальном условии работы, которое сгенерировано многоуровневым высокоскоростным регулируемым приводом, показанным на фиг. 2.
Рассмотрим фиг. 5, на которой представлено схематическое изображение зигзагообразной конфигурации межфазного трансформатора многоуровневого высокоскоростного регулируемого привода, показанного на фиг. 2.
Как изображено на схематическом изображении, показанном на фиг. 5, зигзагообразная конфигурация межфазного трансформатора имеет три стержня сердечника, и каждый стержень характеризуется наличием трех обмоток. Следует отметить, что клемма А соединена с 15-витковой катушкой на среднем стержне, и эта катушка соединена последовательно с противоположно намотанной 15-витковой катушкой на верхнем стержне. Противоположно намотанная 15-витковая катушка этого стержня соединена с клеммой А'. Поскольку эта первая 15-витковая катушка находится на стержне с 15-витковой катушкой фазы Е, напряжение находится в противофазе с 15-витковой катушкой фазы Е, как показано черными точками на символе катушки.
Клемма В соединена с 15-витковой катушкой на нижнем стержне, и эта катушка соединена последовательно с противоположно намотанной 15-витковой катушкой на среднем стержне. Противоположно намотанная 15-витковая катушка этого стержня соединена с клеммой В'. Поскольку эта первая 15-витковая катушка находится на стержне с катушкой фазы F, напряжение находится в противофазе с обмоткой фазы F, как показано черными точками на символе катушки.
Клемма С соединена с 15-витковой катушкой на верхнем стержне, и эта катушка соединена последовательно с противоположно намотанной 15-витковой катушкой на нижнем стержне. Противоположно намотанная 15-витковая катушка этого стержня соединена с клеммой С'. Поскольку эта первая 15-витковая катушка находится на стержне с катушкой фазы D, напряжение находится в противофазе с обмоткой фазы D, как показано черными точками на символе катушки.
Вышеуказанная компоновка является примером отношения витков катушек 26/15=1,7333; при этом любое отношение витков, которое весьма близко к 1,7321, может быть удовлетворительным.
Отношение витков N1/N2 для катушек может находиться в пределах +/- 1% от 0,2680.
На фиг. 6 представлена векторная диаграмма, иллюстрирующая сбалансированные токи основной частоты от каждого инвертора многоуровневого высоковольтного регулируемого привода, показанного на фиг. 2.
Как показано на векторной диаграмме, изображенной на фиг. 6, при сбалансированных напряжениях и предполагаемых токах, как описано выше, от каждого инвертора, т.е. фаза D отстает от фазы А на 30 градусов, суммарное количество ампер-витков на первом стержне из фазы D компенсирует суммарное количество витков фазы А и фазы В.
Кроме того, фаза Е компенсирует фазу В и фазу С; фаза F компенсирует фазу А и фазу С. Поскольку эти магнитодвижущие силы (МДС) на основной частоте скомпенсированы, основная гармоника напряжения по существу равна нулю. Отношение витков 26/15=1,73333 соответствует квадратному корню из трех в пределах 0,07%. Таким образом, при использовании шестифазного инвертора и шестифазного электродвигателя падение напряжение в межфазном трансформаторе при основной частоте по существу равняется нулю.
Как указано выше, основная цель устройства блокирования гармоник заключается в компенсации ряда гармонических напряжений, начиная с 5-го и 7-го, которые могут быть основной причиной потерь от высших гармоник в электродвигателе с питанием от инвертора. 5-е или 7-е гармонические напряжения от инвертора, учитывая 30° сдвиг фаз при основной частоте между двумя трехфазными группами, будут иметь сдвиг фаз 5×30=150° и 7×30=210° для 5-й и 7-й гармоник, и последовательность чередования фаз будет отрицательной и положительной, соответственно.
Рассмотрим фиг. 7 и 8, на котором представлены фазорные диаграммы, иллюстрирующие 5-е и 7-е гармонические напряжения и последовательности чередования фаз, положительные и отрицательные, соответственно, которые сгененрированы устройством блокирования гармоник, входящим в состав многоуровневого высоковольтного регулируемого привода, показанного на фиг. 2.
Это же фазовое соотношение применимо ко всем «k нечетным» гармоникам. На фиг. 7 и 8 показаны фазорные диаграммы, связанные с этими гармоническими напряжениями. Отметим, что при отношении витков 15/26 между катушками DEF и индивидуальными катушками ABC, фазовое соотношение между напряжениями в двух наборах катушек является идентичным фазовому соотношению гармонических напряжений, генерируемых инвертором. Таким образом, импеданс для 5-й и 7-й гармоник представляет собой высокий намагничивающий импеданс сердечника трансформатора, в результате чего блокируются гармонические токи, поступающие в электродвигатель. Это устройство именуется «устройством блокирования гармоник».
В случае всех гармоник порядка 6k+/-1, где k является четным числом, межфазный трансформатор с зигзагообразной конфигурацией имеет такой же эффект, как для основной частоты, случай, когда k=0 и 6k+/-1=+/-1. Таким образом, хотя 5-я и 7-я гармоники полностью устранены, через электродвигатель проходят 11-я, 13-я, 23-я, 25-я, … гармоники.
Рассмотрим фиг. 9, на которой представлен график линейных напряжений электродвигателя в течение одного цикла основной частоты после устройства блокирования гармоник, при этом напряжение, показанное на фиг. 7 и 8, поступает из инвертора многоуровневого высоковольтного регулируемого привода, показанного на фиг. 2.
Отметим, что форма волны является более синусоидальной, что свидетельствует об удалении «k нечетных» гармоник, из которых 5-я и 7-я являются наибольшими.
Таким образом, устройство блокирования гармоник устраняет гармонические напряжения с амплитудами до 1/5-й и 1/7-й амплитуды основной частоты. Стандартный шестифазный электродвигатель будет иметь взаимную связь между соседними фазами порядка 25% синхронного реактивного сопротивления. В предшествующем обсуждении представлены величины импеданса в относительных единицах, при этом 1,0 pu представляет номинальное напряжение на фазу/номинальный ток на фазу. Если, например, синхронные реактивные сопротивления, Xd, Xq, электродвигателя составляют 0,5 pu, то наихудшей амплитудой 5-й и 7-й гармоник будет:
In≈Vn/(nX)
где:
Vn = инверторное гармоническое напряжение = 1,0 pu/n
In = амплитуда pu n-й гармоники
X = реактивное сопротивление
= примем 0,5 pu для синхронного реактивного сопротивления и всех составляющих с k четными, т.е. 1-й, 11-й, 13-й, 23-й, 25-й, …
= примем 0,35 pu для 5-й, 7-й, 19-й, 21-й, …
для некоторых гармоник амплитуды pu представляют собой:
Согласно приведенной выше оценке устройство блокирования гармоник устраняет 84% всего гармонического изменения тока. В случае большинства шаблонных обмоток электродвигателя проводники каждой катушки состоят из пачки изолированных параллельных проводов. Поскольку магнитное поле направлено перпендикулярно пачке изолированных параллельных проводов, индуцированное напряжение будет вызывать дополнительные паразитные потери. Уменьшение гармонических токов в описанных выше пропорциях будет снижать эту долю потерь на квадрат общего коэффициента гармонических искажений или приблизительно 97%. Потери из-за близости и поверхностного эффекта, который увеличивается с частотой гармонических колебаний, будут еще сильнее снижены.
Дополнительное преимущество настоящего варианта осуществления заключается в том, что электромеханическая (ЭМ) пульсация крутящего момента возникает на 12-й гармонике основной частоты. В случае четырехполюсного электродвигателя с частотой вращения 15000 оборотов в минуту это означает, что электромагнитный вибрационный момент, прикладываемый к ротору, будет 24-го порядка или приблизительно 6 кГц, что значительно выше 1-й критической частоты муфты вала между электродвигателем и нагрузкой. Согласно одному примеру системы электромагнитная пульсация крутящего момента составляет 2%, и анализ крутильных колебаний показывает, что пульсация крутящего момента муфты составляет порядка 0,18%, что намного ниже типичной нормы в 1%, обычно требуемой в промышленности.
Центробежные компрессоры получат значительные преимущества в результате применения высокоскоростных электродвигателей, питаемых регулируемым приводом согласно настоящему варианту осуществления. Технологии устройств и систем переключения, первоначально разработанные для низкоскоростных, низкочастотных электродвигателей, присущи некоторые специфичные проблемы при применении к высокоскоростным, высокомощным электродвигателям. Предлагаемая инверторная система на основе регулируемого привода и электродвигателя преодолевает эти проблемы в высокоскоростных применениях. Описанные система и способ магнитного соединения устраняют присутствие высокого уровня 5-го и 7-го гармонических искажений в токе статора и связанные с этим потери.
Рассмотрим фиг. 10, на которой показано схематическое изображение альтернативного варианта осуществления межфазного трансформатора, показанного на фиг. 5.
Электромагнитное средство имеет три отдельных межфазных трансформаторов 8, 9, 10 … Фаза А связана с фаза D на одном сердечнике, фаза В связана с фазой Е на другом и фаза С связана с фазой F на еще одном сердечнике, при этом каждая пара находится в противоположной ориентации, как показано точками. Электромагнитное средство обеспечивает сдвиг фазы на 180° и, следовательно, обеспечивает суммарный сдвиг фазы на 210° и 150° при 6k +/-1, k нечетные гармоники, соответственно, и в результате сниженную степень подавления гармоник.
Отношение витков N3/N4 для катушек может находиться в пределах +/- 1% от 0,2680.
Рассмотрим фиг. 11, на которой показано схематическое изображение дополнительного альтернативного варианта осуществления межфазного трансформатора, показанного на фиг. 5.
Рассмотрим фиг. 12, на которой показано схематическое изображение девятифазного варианта осуществления межфазного трансформатора, показанного на фиг. 5.
a) q фазных групп смещены таким образом, что каждая из фаз А, В, С опережает каждую из фаз D, Е, F на 20°, соответственно, и каждая из фаз G, Н, I отстает от каждой из фаз D, Е, F на 20°, соответственно. В каждой группе из трех фаз сдвиг фаз составляет 120°.
b) Указанное электромагнитное средство состоит из трех 3-стержневых сердечников, как показано на фигуре. Компоновка обмоток дает следующие отношения витков:
N1=N3 х sin(40°)/sin(120°)
N2=N3 х sin(20°)/sin(120°)
Таким образом, основные намагничивающие составляющие ампер-витков фаз A, D и G совместно с ампер-витками фаз С и Н, соответственно, производят равные МДС на каждом стержне. Постольку обратный путь магнитного потока проходит по воздуху, намагничивание сердечника минимально. Кроме того, можно показать, что намагничивающие составляющие на каждом стержне из-за вышеуказанных фаз на 5-й, 7-й, 11-й и 13-й гармониках сдвинуты по фазе на +/-120°, что является нормальным для трехфазного сердечника. В результате сердечник намагничивается этими гармоническими частотами, и результирующая индукция блокирует гармонические напряжения, производимые инвертором, от попадания в электродвигатель так же, как показано выше для 2q=6 фазной инверторной системы.
Рассмотрим вначале фиг. 13, на которой показана блок схема многоуровневого высокоскоростного (более 3600 оборотов в минуту) регулируемого привода в соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фигуре показаны первый многоуровневый, трехфазный инвертор 1302 напряжения и второй многоуровневый трехфазный инвертор 1304 напряжения, третий многоуровневый, трехфазный инвертор 1306 напряжения и четвертый многоуровневый, трехфазный инвертор 1308 напряжения. Кроме того, на фигуре показаны первый источник 1310 электропитания постоянного тока, второй источник 1312 электропитания постоянного тока, третий источник 1314 электропитания постоянного тока, четвертый источник 1316 электропитания постоянного тока, первый межфазный трансформатор 1318, второй межфазный трансформатор 1320 и двенадцатифазный электродвигатель 1322.
Первый источник 1310 электропитания постоянного тока соединен с первым трехфазным инвертором 1302 напряжения, второй источник 1312 электропитания постоянного тока соединен со вторым трехфазный инвертором 1304 напряжения, третий источник 1314 электропитания постоянного тока соединен с третьим трехфазным инвертором 1306 напряжения и четвертый источник 1316 электропитания постоянного тока соединен с четвертым трехфазным многоуровневым, трехфазным инвертором 1308 напряжения.
Первый трехфазный инвертор 1302 напряжения и второй трехфазный инвертор 1304 напряжения, соответственно, соединены с первой и второй входными клеммами первого межфазного трансформатора 1318. Третий трехфазный инвертор 1306 напряжения и четвертый трехфазный инвертор 1308 напряжения, соответственно, соединены с первой и второй входными клеммами второго межфазного трансформатора 1320. Выходные клеммы первого межфазного трансформатора 1318 и второго межфазного трансформатора 1320 соединены с соответствующими трехфазными обмотками двенадцатифазного электродвигателя 1322.
Вышеприведенные описания фиг. 1-12 представляют варианты осуществления с q=2, 3 и 4. Следует отметить, что для четных значений q (2, 4, 6, …) вышеупомянутое электромагнитное средство может быть использовано для блокировки «k нечетного» ряда гармоник описанным выше способом. Как описано выше, можно использовать четыре инвертора для реализации двенадцатифазной системы. В этом случае сдвиг фаз между трехфазными группами в электродвигателе и инверторе составляет 15 градусов. При компоновке, показанной на блок схеме, изображенной на фиг. 13, одно электромагнитное средство или «устройство блокирования гармоник» присоединено к двум трехфазным группам с разнесением 30 градусов, и второе присоединено к двум трехфазным инверторам, сдвинутым на 15 градусов относительно другой группы. В токе электродвигателя будут подавлены 5-я и 7-я гармоники. Однако 11-я и 13-я гармоники не подавлены, но они ослаблены реактивным сопротивлением утечки электродвигателя до минимального уровня. Поскольку эти гармоники будут подавлены в статоре электродвигателя, устраняется влияние этих гармоник на пульсацию крутящего момента и нагрев ротора. Можно показать, что для любого четного значения q (2, 4, 6, 8, 10 …) подавление всех гармоник, кроме гармоник порядка 6qn-1 и 6qn+1, где n = любое целое число, будет происходить в статоре. Например, если q=6, в воздушном зазоре и магнитных потоках ротора будут присутствовать только 35-я, 37-я, 71-я, 73-я … гармоники.
В случае нечетных или четных значений q технология, описанная выше для q=3, может быть расширена путем снабжения каждого из трех отдельных сердечников q стержнями и путем обеспечения связанных обмоток надлежащими отношениями витков. Например, если q=5, то будут необходимы три 5-стержневых сердечника. Аналогично вышеуказанному, этот подход может быть использован для работы с любым значением q, и все гармоники, за исключением гармоник порядка 6qn-1 и 6qn+1, где n = любое целое число, будут подавлены.
Хотя раскрытое в настоящем документе изобретение было описано при помощи его конкретных вариантов осуществления, примеров и практических применений, специалисты в данной области техники могут выполнить многочисленные модификации и изменения без отступления от объема настоящего изобретения, изложенного в формуле изобретения.
1. Система для многоуровневого высокоскоростного регулируемого привода, содержащая:
множество модульных многоуровневых, трехфазных инверторных мостов, при этом указанные модульные многоуровневые, трехфазные инверторные мосты функционируют с основной частотой, f, причем модульные многоуровневые, трехфазные инверторные мосты содержат по меньше мере три уровня, при этом модульные многоуровневые, трехфазные инверторные мосты функционируют в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с минимум 9 х основной частоты или функционируют в режиме основной частоты (РОЧ), при этом частота коммутации инверторов равняется основной частоте, причем модульные многоуровневые, трехфазные инверторы функционируют, так что одна группа смещена от другой на угол θ, где θ=60°/q, где q представляет собой количество трехфазных групп, при этом для n, представляющего собой номер порядка гармоники, сдвиг фаз гармонической составляющей порядка n между группами, θn, равняется nθ/q;
высокоскоростной многофазный электродвигатель с фазами, скомпонованными в q трехфазных групп, где электродвигатель включает количество обмоток q х 3; и
электромагнитное средство для блокировки выбранных групп гармоник с пропусканием составляющих с основной частотой, f, при этом электромагнитное средство содержит катушки, по которым течет ток электродвигателя, связанные при помощи магнитного сердечника, причем электромагнитное средство расположено между множеством модульных многоуровневых, трехфазных инверторных мостов и высокоскоростным многофазным электродвигателем таким образом, что каждая из входных клемм электромагнитного средства соединена с одним выходом множества модульных многоуровневых, трехфазных инверторных мостов, и каждая из выходных клемм электромагнитного средства непосредственно соединена с одной обмоткой высокоскоростного многофазного электродвигателя, где количество выходных клемм электромагнитного средства равно количеству входных клемм электромагнитного средства, причем электромагнитное средство представляет минимальный первый импеданс для токов с основной частотой, f, а также для всех частотных составляющих с f=6k +/-1, где k - четное число, и представляет высокий второй импеданс для всех частотных составляющих с f=6k +/-1, где k - нечетное число.
2. Система по п. 1, дополнительно содержащая:
указанное электромагнитное средство, при этом указанное электромагнитное средство содержит множество катушек, соединенных при помощи магнитного сердечника, причем магнитный сердечник содержит три стержня,
при этом фаза А содержит последовательное сочетание из первой из множества катушек и второй из множества катушек, при этом первая из множества катушек расположена на втором из стержней, и вторая из множества катушек расположена на первом из стержней, при этом первая из множества катушек ориентирована противоположно относительно второй из множества катушек,
при этом фаза В содержит последовательное сочетание третьей из множества катушек и четвертой из множества катушек, при этом третья из множества катушек расположена на третьем из стержней, и четвертая из множества катушек расположена на втором из стержней, при этом третья из множества катушек ориентирована противоположно относительно четвертой из множества катушек,
при этом фаза С содержит последовательное сочетание пятой из множества катушек и шестой из множества катушек, при этом пятая из множества катушек расположена на первом из стержней, и шестая из множества катушек расположена на третьем из стержней, при этом пятая из множества катушек ориентирована противоположно относительно шестой из множества катушек,
при этом фаза D содержит седьмую из множества катушек, причем седьмая из множества катушек расположена на первом из стержней,
при этом фаза Е содержит восьмую из множества катушек, причем восьмая из множества катушек расположена на втором из стержней,
при этом фаза F содержит девятую из множества катушек, причем девятая из множества катушек расположена на третьем из стержней.
3. Система по п. 2, где каждая из первой, третьей и пятой катушек имеет количество витков N1, а каждая из второй, четвертой и шестой катушек имеет количество витков N2, при этом отношение витков N1/N2 для катушек находится в пределах +/-1% от 0,2680.
4. Система по п. 3, дополнительно характеризующаяся тем, что:
фаза D дополнительно содержит десятую из множества катушек на третьем из стержней, причем десятая из множества катушек соединена перед седьмой катушкой последовательно и десятая катушка ориентирована противоположно относительно седьмой из множества катушек,
фаза Е дополнительно содержит одиннадцатую из множества катушек на первом из стержней, причем одиннадцатая из множества катушек соединена перед восьмой катушкой последовательно и одиннадцатая катушка ориентирована противоположно относительно восьмой из множества катушек,
фаза F дополнительно содержит двенадцатую из множества катушек на втором из стержней, причем двенадцатая из множества катушек соединена перед девятой катушкой последовательно и двенадцатая катушка ориентирована противоположно относительно девятой из множества катушек,
при этом каждая из седьмой, восьмой и девятой катушек имеет количество витков N3, а каждая из десятой, одиннадцатой и двенадцатой катушек имеет количество витков N4, причем отношение витков N3/N4 для указанных катушек находится в пределах +/-1% от 0,2680.
5. Система по п. 2, дополнительно содержащая:
указанный многофазный электродвигатель, при этом указанный многофазный электродвигатель скомпонован в три трехфазные группы, причем три трехфазные группы смещены таким образом, чтобы каждая из фаз А, В, С опережала фазы D, Е, F на 20°, соответственно, и каждая из фаз G, Н, I отставала от фаз D, Е, F на 20°, соответственно, при этом в фазах А, В, С сдвиг фаз составляет 120°, в фазах D, Е, F сдвиг фаз составляет 120° и в фазах G, Н, I сдвиг фаз составляет 120°.
6. Система по п. 5, дополнительно содержащая:
указанное электромагнитное средство, причем указанное электромагнитное средство содержит три 3-стержневых сердечника, при этом компоновка обмоток дает отношения витков:
N1=N3 х sin(40°)/sin(120°);
N2=N3 х sin(20°)/sin(120°),
так что основные намагничивающие составляющие ампер-витков фаз A, D и G совместно с ампер-витками фаз С и Н, соответственно, производят равную магнитодвижущую силу (МДС) на каждом стержне, при этом намагничивающие составляющие на каждом стержне из-за вышеупомянутых фаз на 5-й, 7-й, 11-й и 13-й гармониках сдвинуты по фазе на +/-120°, причем сердечник намагничен 5-й, 7-й, 11-й и 13-й гармоническими частотами, и результирующая индукция блокирует гармонические напряжения, производимые множеством модульных многоуровневых, трехфазных инверторных мостов, от попадания в высокоскоростной многофазный электродвигатель.
7. Система по п. 1, дополнительно содержащая:
указанное электромагнитное средство, при этом указанное электромагнитное средство характеризуется отношением витков между каждой одной из D, Е и F катушек и каждой одной из А, В и С катушек, примерно соответствует квадратному корню из трех.
8. Система по п. 7, дополнительно содержащая:
указанное электромагнитное средство, при этом указанное электромагнитное средство характеризуется отношением витков 1,7333.
9. Система по п. 1, дополнительно содержащая:
указанное электромагнитное средство, при этом указанное электромагнитное средство содержит указанные витки, соединенные при помощи указанного магнитного сердечника, при этом указанное электромагнитное средство дополнительно содержит другие витки, соединенные при помощи другого магнитного сердечника, и дополнительные витки, соединенные при помощи дополнительного магнитного сердечника, и фаза А связана с фазой D на указанном сердечнике, фаза В связана с фазой Е на другом магнитном сердечнике, и фаза С связана с фазой F на дополнительном магнитном сердечнике, при этом фаза А и фаза D находятся в противоположной ориентации, фаза В и фаза Е находятся в противоположной ориентации, и фаза С и фаза F находятся в противоположной ориентации,
при этом указанное электромагнитное средство обеспечивает сдвиг фазы на 180° и, следовательно, обеспечивает суммарный сдвиг фазы на 210° и 150° при 6k +/-1, где k - нечетные гармоники, соответственно, и в результате сниженную степень подавления гармоник.
10. Система по п. 1, содержащая:
указанное множество модульных многоуровневых, трехфазных инверторных мостов, при этом указанное множество модульных многоуровневых, трехфазных инверторных мостов содержит:
первый модульный многоуровневый, трехфазный инверторный мост;
второй модульный многоуровневый, трехфазный мост;
третий модульный многоуровневый, трехфазный инверторный мост; и
четвертый модульный многоуровневый, трехфазный мост.
11. Система по п. 1, содержащая:
указанное электромагнитное средство, при этом электромагнитное средство содержит витки, по которым течет ток электродвигателя, связанные при помощи магнитного сердечника, при этом магнитный сердечник содержит по меньшей мере три стержня.
12. Система по п. 11, содержащая:
указанное электромагнитное средство, при этом электромагнитное средство содержит витки, по которым течет ток электродвигателя, связанные при помощи магнитного сердечника, при этом магнитный сердечник содержит по меньшей мере три стержня, при этом первое последовательное сочетание из первого из витков и второго из витков находится на первом из стержней, при этом первый из витков ориентирован противоположно относительно второго из витков, при этом второе последовательное сочетание из третьего из витков и четвертого из витков находится на втором из стержней, при этом третий из витков ориентирован противоположно относительно четвертого из витков, при этом последовательное сочетание из пятого из витков и шестого из витков находится на третьем из стержней, при этом третий из витков ориентирован противоположно второму из витков.
13. Система по п. 1, содержащая:
указанное электромагнитное средство, при этом электромагнитное средство содержит витки, по которым течет ток электродвигателя, связанные при помощи магнитного сердечника, при этом магнитный сердечник содержит по меньшей мере девять стержней.
14. Система по п. 1, содержащая:
указанное электромагнитное средство, при этом электромагнитное средство содержит витки, по которым течет ток электродвигателя, связанные при помощи магнитного сердечника, при этом магнитный сердечник содержит по меньшей мере девять стержней.
15. Система по п. 1, содержащая:
указанное электромагнитное средство, при этом указанное электромагнитное средство содержит первый межфазный трансформатор.
16. Система по п. 15, содержащая:
указанное электромагнитное средство, при этом указанное электромагнитное средство содержит второй межфазный трансформатор.
17. Система по п. 16, в которой
указанный первый межфазный трансформатор расположен между первым и вторым из множества модульных многоуровневых, трехфазных инверторных мостов и высокоскоростным многофазным электродвигателем; и
указанный второй межфазный трансформатор расположен между третьим и четвертым из множества модульных многоуровневых, трехфазных инверторных мостов и высокоскоростным многофазным электродвигателем.
