Регулируемые преобразователи частоты для питания высоковольтных электроприводов переменного тока от промышленной сети

Регулируемые преобразователи частоты

для питания высоковольтных двигателей переменного тока от промышленной сети

Станислав РЕЗНИКОВ, д. т. н.

rezn@formatek.ru Сергей КОНЯХИН, к. т. н.

Александр СОКОЛОВ

В статье вниманию читателей предлагаются рациональные схемотехнические решения для регулируемых преобразователей частоты, предназначенных для питания высоковольтных двигателей переменного тока от промышленной сети. К таким электродвигателям относятся, например, электроприводы погружных центробежных и винтовых насосов для добычи нефти. Решения позволяют минимизировать массу и габариты станции управления двигателем, а также приблизить к единице коэффициент потребляемой из сети мощности.

При относительно большом удалении электродвигателя переменного тока от преобразователя частоты (регулируемого вторичного источника питания) его якорную обмотку выгодно рассчитывать на повышенное напряжение. Так, например, электроприводы погруженных центробежных и винтовых насосов для добычи нефти имеют напряжение питания до 2,4 кВ (при удаленности до 3 км и более).

Обычные схемотехнические решения при реализации станций управления такими электродвигателями из-за дефицитности, дороговизны и низкой надежности высоковольтных полупроводниковых ключей (IGBT-транзисторов на напряжение 3кВ при токе до 100 А и частоте 4 кГц) предполагают наличие повышающего низкочастотного трансформатора на выходе регулируемого преобразователя частоты. При рабочей частоте питания двигателей в диапазоне от 20 до 200 Гц удельная масса такого трансформатора (при мощности порядка 100 кВт и масляном охлаждении) составляет не менее 6 кг/кВА. С учетом современных требований к сохранению качества сетевого напряжения, к загрузке сети реактивной мощностью и к ее КПД коэффициент мощности на входе станции управления х = P/S (кВт/кВ-А) должен быть близок к единице.

В качестве основных задач перспективной модернизации подобных преобразователей частоты сформулированы следующие две:

• исключение громоздкого выходного низкочастотного трансформатора, но без

применения дефицитных, дорогих и малонадежных высоковольтных транзисторов;

• повышение коэффициента мощности со стороны питающей сети путем активной его коррекции [1-3].

К дополнительным, попутно решаемым задачам можно отнести еще две:

• повышение ресурса электродвигателя и питающего кабеля;

• снижение энергопотребления.

Наиболее рациональной структурой регулируемого преобразователя частоты представляется следующая: три комбинированных однофазных модуля, состоящих из ШИМ-корректора мощности (КМ) с трансформаторным конвертором (ТК), а также активный фильтр напряжения (АФН) или тока (АФТ) и высоковольтный трехфазный инвертор квазисинусоидального (ступенчатого или ступенчатого с ШИМ-регулированием) напряжения (ТИН) или прямоугольного тока (ТИТ) соответственно.

Варианты структур преобразователей частоты соответствуют типам приводных электродвигателей и выбранным высоковольтным силовым ключам.

I и II варианты с ТИН

Эти варианты являются универсальными для двигателей трех типов:

• синхронные (СД) с магнитоэлектрическим (МЭД) или электромагнитным возбуждением с контролем синфазности, управляемые по сигналу активного или пассив-

ного датчика положения ротора, который передается по специальному (например, коаксиальному) кабелю управления (КУ) — так называемые бесколлекторные двигатели постоянного тока (БДПТ);

• синхронные с контролем синхронизации скорости (либо непрерывным — по оценке форм тока и напряжения, либо периодическим — по измерению частоты ЭДС двигателя в повторно-кратковременных паузах всего 3-фазного питания);

• асинхронные (АД) в режиме амплитудночастотного управления (с косвенным контролем скольжения и момента).

В I варианте в схеме с ТИН используются высоковольтные (до 3 кВ) запираемые (двухоперационные) и однооперационные тиристоры, а во II — серийные относительно низковольтные (до 1,7 кВ) ЮБТ-транзи-сторы.

III вариант c ТИТ

Этот вариант (на базе ЮБТ-транзисторов) при непосредственном подключении нагрузки без емкостного фильтра переменного тока не пригоден для питания асинхронных двигателей. Его основное преимущество проявляется при питании МЭД в режиме БДПТ без датчика положения ротора, с управлением путем фиксации нулей в кривой ЭДС в регулярных токовых паузах. В отличие от I варианта, он не подвержен возникновению колебаний из-за воздействия пульсаций выпрямленного напряжения (с частотой 300 Гц) на контур, образованный кабельной емкостью

Рис. 1. Регулируемый преобразователь частоты

и суммарной индуктивностью кабеля и якорной обмотки двигателя. К его недостаткам относятся существенные масса и габариты емкостного фильтра, а также большие тепловые потери в обмотках якоря и в подводящих проводах из-за высших гармоник тока (снижение КПД и ресурса изоляции).

На рис. 1 приведены принципиальная схема для I варианта преобразователя частоты — с высоковольтным трехфазным инвертором квазисинусоидального (двухуровневого) напряжения на базе запираемых (двухоперационных ) и однооперационных тиристоров.

На входе преобразователя имеются три однофазных модуля В-КМ-ТК12 3, схема первого из которых раскрыта относительно подробно. Линейное или фазное сетевое напряжение выпрямляется мостовым выпрямителем (В) и через радиофильтр в форме I sin rot | поступает на вход однофазного

ШИМ-корректора мощности с выходным трансреактором (ТУ-Ь). Две вторичные обмотки (N2 и N2') трансреактора со средними точками через асимметричные выпрямители (В-Ь) с прямоходовыми дроссельными обмотками в двух противорасположенных плечах подключены к соответствующим входным емкостным фильтрам-демодуляторам (С12дм) четырехканального активного фильтра напряжения, состоящего из простейших понижающих ШИМ-стабилизаторов напряжения. Указанные четыре звена соединены между собой последовательно по выходу, образующему высоковольтную батарею конденсаторов (С12 и С12') с заземленной средней точкой (0).

Высоковольтный трехфазный инвертор квазисинусоидального (ступенчатого двухуровневого) напряжения содержит шесть высоковольтных запираемых тиристоров ОТО, ОСТ или ЮСТ (УБдв.с> У$л,В>с) истолько же

парно-тиристорных ключей переменного тока (У51-3 иVS'-3').

Тиристорные ключи переменного тока обеспечивают промежуточные ступени в кривых фазных и линейных напряжений (рис. 1) и реализованы на базе однооперационных тиристоров, запираемых с помощью упомянутых высоковольтных двухоперационных тиристоров.

На рис. 2 приведены принципиальная схема, схемы замещения и диаграммы работы трехуровневого инвертора напряжения на серийных ЮБТ-модулях [4]. Благодаря диодному заземлению средних точек парных КБТ-модулей и их поочередной коммутации (включение и выключение) с временным запаздыванием удается широко распространенными транзисторами на напряжение 1700 В заменить дефицитные, дорогие и малонадежные транзисторы на 3,5 кВ. В этой схеме имеется не только возможность получения

Рис. 2. Схема и диаграммы работы трехуровневого инвертора напряжения на серийных IGBT-модулях

Рис. 3. Диаграммы работы двухуровневого инвертора

трехуровневой формы фазных напряжений, но и возможность ШИМ-регулирования на всех уровнях для получения кривой с малыми нелинейными искажениями. Если время запаздывания коммутации второго транзистора каждой пары относительно первого свести к незначительной величине, то схема будет работать как обычная двухуровневая [4]. Схемы замещения

и диаграммы работы для этого случая показаны на рис. 3.

На рис. 4 приведены принципиальная схема и временные диаграммы преобразователя частоты в III варианте — с высоковольтным трехфазным инвертором прямоугольного тока. В отличие от рис. 1, здесь подробно изображены три возможных варианта исполнения однофазных модулей КМ-ТК:

• 1 — с трансреактором и однотактным модулятором, причем с транзисторным звеном рекуперации энергии рассеяния

( УТрр-Ьрр-Срр);

• 2 и 3 — с трансформаторным инвертором

тока и предвключенным ШИМ (инвертирующим или понижающе-повышающим). На входе высоковольтного ТИТ установлен двухканальный активный фильтр тока, исключающий прохождение в выходную цепь переменного тока регулируемой частоты пульсаций выпрямленного сетевого напряжения с частотой 300 Гц и позволяющий существенно снизить массу и габариты силового реактора (ЬСр) звена постоянного тока. В состав АФТ и высоковольтного ТИТ входят защитные диоды (УГ*3 и VD'з), позволяющие уменьшить емкость выходных фильтровых конденсаторов и обойтись без дополнительной цепочки рекуперации (типа УТрр; Ьрр; Срр ).Однако для функционирования этих диодов необходимо обеспечить два условия: использовать только режим понижения напряжения АФТ и синхронизировать моменты выключения его транзисторов с транзисторами высоковольтного ТИТ.

В этом варианте паузы фазных токов в нагрузке могут использоваться для фиксации прохождения через «0» ЭДС якорных обмоток электродвигателя, что позволяет обойтись без датчика положения ротора и соответствующего кабеля управления. Следует, однако, отметить, что длительность фронта и спада фазного тока определяется суммарной индуктивностью кабеля и якорной обмотки двигателя, которая может быть весьма большой. Поэтому процесс определения положения ротора МЭД при максимальной скорости вращения может оказаться затрудненным, что заставит уменьшить относительную длительность импульсов тока, тем самым ухудшая энергетические показатели электропитания и увеличивая перегрев двигателя.

Литература

1. Чаплыгин Е., Во Минь Тьинь, Нтуен Хоанг Ан. Виенна-выпрямитель — трехфазный корректор коэффициента мощности // Силовая электроника. 2006. № 1.

2. Овчинников Д. А., Костров М. Ю., Лукин А. В., Малышков Г. М. Трехфазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности // Практическая силовая электрика. 2002. Вып. 6.

3. Резников С., Булеков В., Болдырев В., Бочаров В. Новый принцип обратимого выпрямительноинверторного преобразователя с ШИМ-коррек-цией мощности // Силовая электроника. 2005. № 1.

4. Чибиркин В., Боок А., Завгородний В., Арис-кин О., Шестоперов Г. Разработка трехфазного мостового инвертора для питания тяговых асинхронных электродвигателей электровозов постоянного тока // Силовая электроника. 2005. № 2.

Рис. 4. Регулируемый преобразователь частоты