СТАТИЧЕСКИЙ МНОГОУРОВНЕВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ПИТАНИЯ СИНХРОННЫХ И АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
STATIC MULTI-LEVEL FREQUENCY CONVERTER FOR POWERING SYNCHRONOUS AND ASYNCHRONOUS MOTORS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к многоуровневым преобразователям частоты, и может быть использовано для пуска и регулирования скорости асинхронных и синхронных электродвигателей среднего напряжения 6 (10) кВ.
Известны статические многоуровневые преобразователи частоты (далее, СМПЧ) для управления асинхронными и синхронными электродвигателями среднего напряжения (RU 2411629 C1, опубликовано 10.02.2011 г., RU 2510769 C1, опубликовано 10.04.2014 г., RU 122216 U1, опубликовано 20.11.2012 г., преобразователь частоты ABS-Drive-2, опубликовано 02.02.2016 г., электронный ресурс: http://vniir.ru/ept/abs-drive-2), содержащие многообмоточный силовой трансформатор, силовые модули, каждый из которых выполнен в виде однофазного транзисторного преобразователя частоты, подключенного по цепям входа к вторичным обмоткам трансформатора, а по цепям выхода последовательно с выходами других модулей таким образом, что образуются три группы, соединенные в звезду, лучи которой являются выходом СМПЧ. Управление СМПЧ осуществляется от центрального микропроцессорного блока управления с местными устройствами управления силовых модулей. Для пуска и регулирования скорости электродвигателей применяется основной закон частотного регулирования  Надежность работы СМПЧ обеспечивается следующими защитами:
- от коротких замыканий внутри и на выходе;
- от токовых перегрузок;
- от перегрева;
- от коммутационных перенапряжений;
- от неисправности силовых модулей и управления.
Недостатком известных аналогов СМПЧ является отсутствие защиты при однофазном замыкании на землю.
Известны защиты, выявляющие однофазное замыкание на землю в питающих сетях среднего напряжения с изолированной нейтралью (Реле напряжения нулевой последовательности РНН-57, ТУ16-523.500-83):
0
0
- электромеханические, выявляющие однофазное замыкание на землю по току нулевой последовательности 3I (RU 2529541 C1, опубликовано 27.09.2014 г.) или напряжению 3U (Реле напряжения нулевой последовательности РНН-57, ТУ16-523.500-83);
- микропроцессорные терминалы релейной защиты, выявляющие однофазное замыкание на землю по току и напряжению нулевой последовательности (Блок микропроцессорный релейной защиты БМРЗ. Руководство по эксплуатации ДНВГ.648228.024 РЭ, стр. 21-24; Терминал определения поврежденного фидера при однофазном замыкании на землю в сетях 6-35 кВ, «Бреслер-0107.81». Руководство по эксплуатации, стр. 8), обладающие более высокой чувствительностью в сравнении с электромеханическими.
ном
Общим недостатком известных защит является неспособность выявления однофазного замыкания на землю в СМПЧ в штатных режимах работы, а именно, при скоростях вращения электродвигателей ω<ω. Данный режим обеспечивается СМПЧ путем одновременного уменьшения величины и частоты выходного напряжения. При этом происходит уменьшение напряжения и тока нулевой последовательности. Соответственно, данный режим является ненормированным для достоверного функционирования известных защит при однофазном замыкании на землю (Шабанов В.А., Алексеев В.Ф. Изменение функций релейной защиты при установке преобразователя частоты НПС. Электронный научный журнал «Нефтегазовое хозяйство», 2012, №4, стр. 18-25).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и принятому за прототип является СМПЧ для питания асинхронных и синхронных электродвигателей (RU 2303851 C1, опубликовано 27.07.2007 г.), содержащий силовой трансформатор, выходной фильтр, блок управления, силовые модули, подключенные по цепям входа к вторичным обмоткам трансформатора, по цепям выхода - последовательно с выходами других модулей таким образом, что образуются три группы, соединенные в звезду, к выходу которых подключен выходной фильтр через датчики тока.
Данное устройство содержит расширенную систему диагностики функционирования составных частей с помощью средств измерения тока (напряжения) и защитные функции по измеряемым параметрам.
Недостатком прототипа, как и аналогов, является отсутствие защиты при однофазном замыкании на землю.
Технический результат заявляемого устройства - обеспечение выявления выходного напряжения СМПЧ при однофазном замыкании (далее - ОЗЗ) как при номинальных значениях, так и при малых значениях выходного напряжения и, соответственно, предотвращение последствий аварийной ситуации на начальной стадии запуска электродвигателя при невысоком уровне выходного напряжения СМПЧ.
Технический результат достигается тем, что в статическом многоуровневом преобразователе частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей, содержащем силовой трансформатор, выходной фильтр, блок управления, силовые модули, подключенные по цепям входа к вторичным обмоткам трансформатора, а по цепям выхода - последовательно с выходами других модулей таким образом, что образуются три группы, соединенные в звезду, к выходу которых подключен выходной фильтр через датчики тока, блок управления выполнен с входом «Блокировка», введен блок защиты при однофазном замыкании на землю с аналоговым входом управления и дискретным выходом «Авария», содержащий резистивный делитель напряжения, являющийся аналоговым входом блока защиты, интегратор, двухполярный пороговый элемент с прямым и инверсным входами, RS-триггер, исполнительный орган, являющийся дискретным выходом блока защиты, элемент временной задержки и логический элемент 2И, выход делителя напряжения соединен с входом интегратора, выход которого присоединен к входу порогового элемента, прямой выход порогового элемента соединен с S-входом RS-триггера, а его выход с входом исполнительного органа и элемента временной задержки, логический элемент 2И по цепям входов соединен с инверсным выходом порогового элемента и элемента временной задержки, а по цепи выхода - с R-входом RS-триггера, при этом резистивный делитель напряжения присоединен одним выводом к общей точке силовых модулей, соединенных в звезду, а вторым - к цепи контура заземления, выход исполнительного органа присоединен к входу «Блокировка» блока управления.
Блок защиты, содержащий резистивный делитель напряжения, являющийся аналоговым входом блока защиты, интегратор, двухполярный пороговый элемент с прямым и инверсным выходами, RS-триггер, исполнительный орган, являющийся дискретным выходом блока защиты, элемент временной задержки и логический элемент 2И. Выход делителя напряжения соединен с входом интегратора, выход которого присоединен к входу порогового элемента. Прямой выход порогового элемента соединен с S-входом RS-триггера, а его выход с входом исполнительного органа и элемента временной задержки. Логический элемент 2И по цепям входов соединен с инверсным выходом порогового элемента и элемента временной задержки, а по цепи выхода - с R-входом RS-триггера. Резистивный делитель напряжения присоединен одним выводом к общей точке силовых модулей, соединенных в звезду, а вторым - к цепи контура заземления. Выход исполнительного органа присоединен к входу «Блокировка» блока управления.
0
0
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что за счет введения в состав СМПЧ блока защиты при однофазном замыкании на землю, подключения блока защиты по цепи входа к общей точке силовых модулей, соединенных в трехлучевую звезду, являющуюся источником напряжения нулевой последовательности 3U относительно цепи контура заземления, наличия в составе блока защиты интегратора напряжения 3U, что обеспечивает достоверность выявления однофазного замыкания на землю в широком диапазоне изменения выходного напряжения преобразователя частоты при регулировании скорости вращения электродвигателя, а именно использование СМПЧ по назначению обеспечивает расширение функциональных возможностей защитных средств.
На фиг. 1, фиг. 2 представлены функциональные схемы заявляемого устройства, где приняты следующие обозначения:
1 - силовой трансформатор;
2 (u, v, w) - выходной LC-фильтр;
3 - блок управления с входом управления «Блокировка»;
1
N
4 (u…w) - силовые модули; например однофазные транзисторные преобразователи частоты;
5 - датчики тока;
6 - блок защиты при однофазном замыкании на землю;
7 - резистивный делитель напряжения;
8 - интегратор, выполненный, например, на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи;
9 - двухполярный пороговый элемент с прямым и инверсным выходами;
10 - RS-триггер;
11 - исполнительный орган, например электромеханическое реле;
12 - элемент временной задержки;
13 - логический элемент 2И;
14 - электродвигатель переменного тока.
СМПЧ для питания асинхронных и синхронных электродвигателей, содержит силовой трансформатор 1, выходной фильтр 2, блок управления 3, силовые модули 4, подключенные по цепям входа к вторичным обмоткам трансформатора 1, а по цепям выхода - последовательно с выходами других модулей таким образом, что образуются три группы, соединенные в звезду, к выходу которых подключен выходной фильтр 2 через датчики тока 5. Блок управления 3 выполнен с входом «Блокировка». Введен блок защиты при однофазном замыкании на землю 6 с аналоговым входом управления и дискретным выходом «Авария». Блок защиты 6 содержит резистивный делитель напряжения 7, являющийся аналоговым входом блока защиты 6, интегратор 8, выполненный, например, на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи, двуполярный пороговый элемент 9 с прямым и инверсным входами, RS-триггер 10, исполнительный орган 11, например электромеханическое реле, являющийся дискретным выходом блока защиты 6, элемент временной задержки 12 и логический элемент 2И 13. Выход делителя напряжения 7 соединен с входом интегратора 8, выход которого присоединен к входу порогового элемента 9. Прямой выход порогового элемента соединен с S-входом RS-триггера 10, а его выход с входом исполнительного органа 11 и элемента временной задержки 12. Логический элемент 2И 13 по цепям входов соединен с инверсным выходом порогового элемента 9 и элемента временной задержки 13, а по цепи выхода - с R-входом RS-триггера 10. Резистивный делитель напряжения 7 присоединен одним выводом к общей точке N силовых модулей 4, соединенных в звезду, а вторым - к цепи контура заземления . Выход исполнительного органа 11 присоединен к входу «Блокировка» блока управления 3.
0
0
Работа устройства происходит следующим образом. СМПЧ является источником трехфазного напряжения с изолированной нейтралью регулируемого по величине и частоте по общеизвестному соотношению  Максимальное действующее значение напряжения нулевой последовательности 3U равно фазному выходному напряжению СМПЧ  при однофазном замыкании (далее - ОЗЗ) на выходе СМПЧ, отходящем кабеле или выводах электродвигателя 14. В СМПЧ напряжение 3U измеряется между нулевой точкой N силовых модулей и контуром заземления устройства  и подается на вход блока защиты 6, а именно на вход интегратора 8 через резистивный делитель напряжения 7. Напряжение с выхода интегратора подается на вход двухполярного порогового элемента 9, а с выхода последнего на вход RS-триггера 10.
0
При исправном состоянии изоляции СМПЧ, отходящего кабеля и электродвигателя напряжение нулевой последовательности 3U=0. Напряжения на выходе интегратора 8 и порогового элемента 9 также равны нулю. Срабатывание RS-триггера 10 и исполнительного органа не происходит.
В случае наличия ОЗЗ на выходе интегратора 8 появляется переменное напряжение, превышающее уровень срабатывания порогового элемента 9. Происходит переключение порогового элемента 9, RS-триггера 10 и включение исполнительного органа 11, который передает сигнал аварийного состояния в блок управления СМПЧ на прекращение работы СМПЧ, при необходимости.
ч
Для определенности изложения отличительной особенности заявляемого устройства будем считать, что параметры резистивного делителя напряжения и интегратора выбраны на достоверное выявление ОЗЗ в силовых цепях СМПЧ, отстоящих выше 0,1 части последовательно соединенных силовых модулей относительно нулевой точки N. Соответственно, в случае ОЗЗ на выводах СМПЧ, при номинальном значении напряжения и частоты СМПЧ, амплитуда напряжения на выходе интегратора 8 должна быть равна, например,  а напряжение срабатывания порогового элемента  Соответственно, реализуется защищенность 85% силовых цепей СМПЧ при ОЗЗ с учетом коэффициента чувствительности К=1,5.
ном
н
н
0
При использовании СМПЧ по назначению, а именно при работе на скоростях вращения электродвигателя ω<ω, выходное напряжение и частота регулируются в соответствии с  где U, ω - номинальные значения напряжения и частоты. В установившемся режиме работы СМПЧ и электродвигателя ω≈const. Действующее значение напряжения при ОЗЗ на выходе  Амплитудное значение измеряемого напряжения 3U на выходе интегратора будет равно:
и не зависит от частоты ω, где:
k - коэффициент, соответствующий принятому условию выбора параметров делителя напряжения, интегратора и ОЗЗ на выводах СМПЧ, при которых
[B⋅p], [B⋅c] - размерность [вольт × радиан], [вольт × сек].
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает выявление ОЗЗ, в отличие от известных не только при номинальных значениях выходного напряжения СМПЧ, но и при малых значениях выходного напряжения, соответственно, способно предотвратить последствия аварийной ситуации на начальной стадии запуска электродвигателя при невысоком уровне выходного напряжения СМПЧ.
Наличие элемента временной задержки 12 в блоке защиты 6 позволяет отстроиться от случайных самоустраняющихся ОЗЗ. Работа устройства в этом случае происходит следующим образом. При выявлении ОЗЗ RS-триггер 10 переключается в единичное состояние по выходу и запускает элемент временной задержки 12. Если в течение заданной выдержки времени ОЗЗ самоустранилось, то на инверсном выходе порогового элемента и первом входе логического элемента 2И 13 появляется сигнал единичного уровня. По истечении заданной выдержки времени единичным сигналом с выхода элемента временной задержки производится переключение RS-триггера в исходное состояние через логический элемент 2И.
ср
ном
ном
В аппаратном исполнении интегратор выполняется на базе операционного усилителя в виде устройства с передаточной характеристикой  с частотой среза ω=0,1ω. Соответственно на частотах выходного напряжения СМПЧ ω>0,1ω, устройство является интегрирующим  Данная защита в устройстве СМПЧ по интегральному значению напряжения нулевой последовательности является неселективной и обеспечивает дополнительно защиту электродвигателя при ОЗЗ в его статорной обмотке.
0
В целом предлагаемое изобретение обеспечивает повышение защищенности СМПЧ и электродвигателя за счет возможности выявления ОЗЗ на начальной стадии пуска в работу при малых значениях выходного напряжения и, соответственно, при малых значениях тока замыкания на землю (3I).
вых
ном
вых
ном
Проведены испытания, подтвердившие способность выявления ОЗЗ в выходном напряжении СМПЧ U≈0,1U и U=U.