ТРЕХФАЗНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
THREE-PHASE HIGH AC VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники.
Известен трехфазный высоковольтный преобразователь частоты типа MELTRAC-F500HVC фирмы «Mitsubisi», описанный в журнале: «Силовая электроника», №3, 2007 г., Лазарев Г.Б. Частотно-регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок - эффективная технология энерго- и ресурсосбережения на тепловых электростанциях, который предназначен для регулируемого электропривода и выполнен на напряжение 6 кВ и более. Он содержит 18 ячеек, каждая из которых состоит из блока выпрямителя, конденсатора и 4 транзисторных ключей; высоковольтный трансформатор с 19 комплектами трехфазных обмоток. Недостатком является высокая сложность как по количеству полупроводниковых ключей (всего 72 ключа), так и по силовому трансформатору. Такой преобразователь частоты (и напряжения), кроме сложности, имеет большие потери энергии.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является высоковольтный преобразователь частоты типа «Simovert MV» фирмы «Siemens», который описан в сборнике научных трудов ОАО «Электропривод» 65 лет. Москва, изд-во «ЗНАК», 2007 г. Осипов О.И., Панов А.С., Оськин А.А., Куцый К.Л. "Повышение эффективности работы сетевых насосов второго подъема частотно-регулируемым электроприводом" и предназначен для электропривода на напряжение 6 кВ и представлен на фиг.1, где приняты следующие обозначения:
1 - входной трансформатор с двумя комплектами вторичных обмоток, соединенных соответственно в треугольник и звезду;
2 - выпрямительный блок, состоящий из 2 трехфазных мостов;
3 - блок сглаживающих конденсаторов с общей точкой;
4 - блок автономного инвертора напряжения (АИН) на транзисторах IGBT;
6 - повышающий трехфазный автотрансформатор с обмотками 7;
9 - блок выходных конденсаторов;
10 - электродвигатель;
11 - система управления АИН.
Автотрансформатор 6 и блок выходных конденсаторов 9 образуют повышающий выходной синусный фильтр, обеспечивающий на входе двигателя близкую к синусоиде форму напряжения заданной частоты. При этом повышающий автотрансформатор одновременно повышает напряжение с выхода АИН до напряжения электродвигателя, например, 6 кВ.
При отсутствии автотрансформатора пришлось бы на выходе АИН устанавливать индуктивное плечо фильтра (реактор), а напряжение АИН следовало бы выбирать более высоким (6 кВ), что требует более высоковольтных IGBT-ключей, максимальное напряжение и ток которых в настоящее время ограничены техническими возможностями полупроводниковых приборов.
Недостаток прототипа заключается в ограничении по выходной мощности, которая определяется допустимым током ключей в блоке 4.
Технический результат заявляемого решения - повышение мощности трехфазного высоковольтного преобразователя переменного напряжения.
Технический результат достигается тем, что трехфазный высоковольтный преобразователь переменного напряжения содержит входной силовой трансформатор, выпрямительный блок, соединенный с блоком сглаживающих конденсаторов, подключенных к соответствующим входам блока автономного инвертора, выполненного, например, по трехуровневой схеме инвертора напряжения с нулевой точкой, три фазы которого через обмотки трехфазного повышающего автотрансформатора подключены к блоку выходных конденсаторов и нагрузке, например к электродвигателю, а также систему управления, при этом в него введены дополнительные блоки автономных инверторов, а автотрансформатор выполнен с одинаковыми параллельно соединенными в каждой фазе обмотками, количество которых равно общему количеству подключенных к ним автономных инверторов, соответствующие входы последних соединены между собой и подключены к сглаживающим конденсаторам, а их выходные фазы подключены к соответствующим отводам параллельно соединенных обмоток автотрансформатора, имеющих общую точку, при этом управляющие цепи автономных инверторов подсоединены к соответствующим общим выходам системы управления, причем трехфазный автотрансформатор может быть выполнен на базе трех однофазных автотрансформаторов, с тем же количеством обмоток и их соединением, что и в одной фазе трехфазного автотрансформатора.
Сущность заключается в том, что увеличение мощности достигается за счет параллельного соединения автономных инверторов, входы которых подключены к общему источнику постоянного напряжения, а их выходы к параллельно включенным соответствующим обмоткам трехфазного многообмоточного автотрансформатора. При этом трехфазный автотрансформатор выполнен на базе однофазных автотрансформаторов, с тем же количеством обмоток на одну фазу и их соединением. На фиг.2 приведена схема предлагаемого устройства, где
1 - входной силовой трансформатор, содержащий два комплекта вторичных обмоток,
2 - выпрямительный блок, содержащий два трехфазных мостовых выпрямителя,
3 - блок сглаживающих конденсаторов с общей точкой 0,
4, 5 - блоки автономных инверторов, количество которых равно N, выполненные, например, на базе транзисторов (ключей) IGBT (N≥2),
6 - трехфазный многообмоточный автотрансформатор,
7, 8 - обмотки автотрансформатора, количество которых на фазу равно N≥2,
9 - блок выходных конденсаторов,
10 - электродвигатель,
11 - общая система управления автономными инверторами, с выходов которой подаются в блоки 4, 5 на симметрично расположенные ключи соответствующие синфазные последовательности импульсов с широтно-импульсной модуляцией.
Блоки 2 и 3 образуют общий источник постоянного напряжения с принятым в литературе названием - звена постоянного тока.
1
2
1
2
1
2
o
Зажимы a-а, в-в, с-с - выходные фазы блоков 4-6, U-напряжение на конденсаторе блока 2.
1
Предлагаемое устройство содержит силовой трансформатор 1, соединенный с выпрямительным блоком 2, который подключен к блоку сглаживающих конденсаторов 3, подключенных к соответствующим параллельно включенным входам блоков автономных инверторов 4 и 5, выходы последних соответственно соединены с отводами обмоток 7, 8 многообмоточного трехфазного повышающего автотрансформатора 6, при этом обмотки 7, 8 имеют общую точку O, в каждой фазе соединены соответственно между собой параллельно и подключены к блоку выходных конденсаторов 9 и к фазам А, В, С электродвигателя 10.
Управляющие цепи ключей блоков 4 и 5 соответственно подсоединены к общей системе управления 11. Вместо общего трехфазного автотрансформатора 6 могут быть применены три однофазных автотрансформатора с теми же обмотками 7, 8 в каждой фазе и с той же схемой их подключения.
Устройство по фиг.2 работает следующим образом.
1
2
1
2
1
2
1
1
A-В
Автономные инверторы 4 и 5 получают управление от общей системы управления 11. Каждый блок 4 и 5 содержит, например, по 4 транзисторных ключа в каждой фазе, которые преобразуют входное постоянное напряжение в переменное на выходах а-а, в-в, c-с. Величина и частота выходного напряжения регулируются блоком 11 методом ШИМ. Данные напряжения поступают на отводы (средние точки обмоток 7, 8) автотрансформатора 6, а с полной обмотки 7 (8) соответствующее выходное напряжение поступает на 9, 10. Практически имеем следующие линейные напряжения: Ua-в≤3 кВ, U=6÷10 кВ. Параллельное включение нескольких блоков АИН (4 и 5) обеспечивает возможность увеличения выходной мощности устройства в целом, а повышающий автотрансформатор 6 обеспечивает увеличение напряжения до уровня напряжения нагрузки. Выполнение нескольких обмоток 7, 8 в каждой фазе и их соединение между собой и с блоками 4, 5 обеспечивает равномерное распределение нагрузки в последних.
Равномерное распределение токов в блоках 4 и 5 достигается при помощи параллельно соединенных обмоток автотрансформатора 6, а также за счет управления от общих каналов формирования импульсов системы управления 11, распределяемых на симметрично расположенные ключи в блоках автономных инверторов. Как указывалось выше, данное устройство может быть выполнено также с количеством блоков АИН более двух.
Автотрансформатор 6 может быть выполнен в виде 3 однофазных автотрансформаторов с тем же набором обмоток и их соединением между собой.
На фиг.3 приведена схема с тремя блоками АИН 4, 5, 13 и автотрансформатором 6 с тремя обмотками 7, 8, 12. Здесь блоки АИН 4, 5, 13 управляются синфазно от общей системы управления 11, а равномерное распределение токов между блоками АИН осуществляется за счет индуктивных сопротивлений идентичных обмоток 7, 8, 12 автотрансформатора 6.