МНОГОУРОВНЕВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ УРОВНЕЙ И БАЙПАСНЫМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КЛЮЧАМИ
MULTILEVEL FREQUENCY CONVERTER WITH DIFFERENTIAL VOLTAGE LEVELS AND BYPASS SEMICONDUCTOR KEYS

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах.
Известен многоуровневый транзисторный преобразователь частоты для управления асинхронным электродвигателем, предложенный в патенте США №5625545 с приоритетом от 29.04.1997 «Устройство и метод широтно-импульсного преобразователя частоты» («Medium voltage PWM drive and method»), содержащий входной многообмоточный силовой трансформатор и последовательно соединенные силовые ячейки, каждая из которых выполнена в виде однофазного транзисторного преобразователя частоты с блоком управления ячейкой, с трехфазным мостовым выпрямителем, соединенным выводами переменного тока с выходами вторичной обмотки входного многообмоточного силового трансформатора, а выводами постоянного тока через блок выходного фильтра с входными выводами постоянного тока транзисторного однофазного инвертора.
Недостатками данного многоуровневого преобразователя частоты являются сложность конструкции входного многообмоточного силового трансформатора, обусловленная наличием большого числа вторичных обмоток, значительные габаритные размеры преобразователя частоты из-за большого числа низковольтных силовых ячеек и невозможность использования преобразователя частоты с электродвигателями разных номинальных напряжений. Перечисленные недостатки вызваны тем, что все вторичные обмотки входного многообмоточного трансформатора и все силовые ячейки преобразователя частоты имеют одинаковое номинальное напряжение.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является многоуровневый транзисторный преобразователь частоты для управления электродвигателем переменного тока (патент №2411629 от 19.10.2009), содержащий входной многообмоточный силовой трансформатор, последовательно соединенные силовые ячейки, каждая из которых выполнена в виде однофазного транзисторного преобразователя частоты с блоком управления ячейкой и с трехфазным мостовым выпрямителем, соединенным выводами переменного тока с выходами вторичной обмотки многообмоточного силового трансформатора, а выводами постоянного тока через блок выходного фильтра - с входными выводами постоянного тока транзисторного однофазного инвертора.
Недостатками устройства являются сложность конструкции входного многообмоточного силового трансформатора, обусловленная наличием большого числа вторичных обмоток, значительные габаритные размеры преобразователя частоты, вызванные большим числом низковольтных ячеек, и невозможность использования преобразователя частоты с электродвигателями разных номинальных напряжений. Другим недостатком известного устройства является ограниченное число уровней выходного напряжения, которое соответствует числу силовых ячеек в каждой фазе, что ухудшает степень синусоидальности выходного напряжения и делает невозможным использование преобразователя частоты с электродвигателями разных номинальных напряжений.
Перечисленные недостатки обусловлены тем, что все вторичные обмотки входного многообмоточного трансформатора и все силовые ячейки преобразователя частоты выполнены с одинаковым номинальным напряжением.
Для того чтобы получить большее число уровней напряжения на выходе преобразователя частоты в известном устройстве, необходимо увеличивать число вторичных обмоток входного трансформатора и увеличивать число силовых ячеек в каждой фазе, что усложняет конструкции как входного многообмоточного трансформатора, так и электронной части преобразователя частоты.
Технической задачей изобретения является упрощение конструкции многоуровневого преобразователя частоты, увеличение числа уровней напряжения на выходе и расширение его функциональных возможностей за счет возможности использования с электродвигателями разных номинальных напряжений.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем многообмоточный силовой трансформатор, последовательно соединенные силовые ячейки, каждая из которых выполнена в виде однофазного транзисторного преобразователя частоты с блоком управления ячейкой и с трехфазным мостовым выпрямителем, соединенным выводами переменного тока с выходами вторичной обмотки многообмоточного силового трансформатора, а выводами постоянного тока через блок выходного фильтра - с входными выводами постоянного тока транзисторного однофазного инвертора, согласно изобретению вторичные обмотки входного многообмоточного трансформатора и соединенные с ними силовые ячейки выполнены с различным вторичным напряжением, а именно, номинальное напряжение силовых ячеек первого уровня составляет половину от номинального выходного напряжения преобразователя частоты, а номинальное напряжение силовых ячеек каждого последующего уровня в два раза ниже номинального напряжения силовых ячеек предыдущего уровня, а параллельно выходу каждой силовой ячейки установлен байпасный полупроводниковый ключ, один управляющий вход которого соединен с первым управляющим выходом системы управления, коммутирующим ключ при неисправности ячейки, а другой управляющий вход соединен со вторым управляющим выходом системы управления, коммутирующим ключ в рабочих режимах для изменения выходного напряжения преобразователя частоты.
1
H
2
H
3
H
4
H
n
H
n
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что выходное напряжение ячеек первого уровня составляет половину от номинального выходного напряжения преобразователя частоты U=U/2, ячеек второго уровня - четверть U=U/4, ячеек третьего уровня - восьмую U=U/8, ячеек четвертого уровня - шестнадцатую U=U/16, выходное напряжение ячеек уровня n составляет 1/2" от номинального выходного напряжения преобразователя частоты U=U/(2), а параллельно выходу каждой силовой ячейки установлен байпасный полупроводниковый ключ, один управляющий вход которого соединен с первым управляющим выходом системы управления, коммутирующим ключ при неисправности ячейки, а другой управляющий вход соединен со вторым управляющим выходом системы управления, коммутирующим ключ в рабочих режимах для изменения выходного напряжения преобразователя частоты.
На фиг.1 представлена схема многоуровневого преобразователя частоты с дифференцированными напряжениями уровней и байпасными полупроводниковыми ключами, содержащего входной многообмоточный трансформатор Т, систему управления СУ с управляющим выходом УВ1, коммутирующим ключи при неисправности силовых ячеек, и управляющим выходом УВ2, коммутирующим ключи в рабочих режимах для изменения выходного напряжения преобразователя частоты, и несколько уровней силовых ячеек в каждой фазе: силовые ячейки первого уровня 1, силовые ячейки второго уровня 2, силовые ячейки третьего уровня 3 и так далее, а параллельно выходу каждой силовой ячейки подключен байпасный полупроводниковый ключ К.
Устройство работает следующим образом. Выходное фазное напряжение преобразователя частоты равно сумме выходных напряжений включенных силовых ячеек всех уровней от 1 до n:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mo>…</mo><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mi>n</mi></msub><mo>.</mo><mtext>                      (1)</mtext></mrow>
n
n
ВЫХ
n
ВЫХ
n
n
В зависимости от того, какие силовые ячейки включены и какие выключены, можно получить 2 значений (уровней) выходного напряжения от U=U (при включенной n-й ячейке и выключенных всех других ячейках) до U=2·U, при всех включенных ячейках, причем ступень изменения выходного напряжения равна U.
В случае выхода из строя какой-либо из ячеек система управления СУ шунтирует неисправную ячейку, замкнув соответствующий байпасный полупроводниковый ключ К на выходе ячейки путем подачи сигнала на управляющий выход УВ1. При этом корректируется управление остальными ячейками, чтобы сохранялась симметрия напряжения по фазам. В предлагаемом устройстве управляющие входы байпасных ключей соединены не только с управляющим выходом УВ1 системы управления, коммутирующим ключи при неисправности силовых ячеек, но и с управляющим выходом УВ2, коммутирующим ключи в рабочих режимах для изменения выходного напряжения преобразователя частоты. При этом появляется возможность управлять положением байпасных ключей и числом включенных силовых ячеек не только при неисправности силовой ячейки, но и в рабочих режимах: в режимах пуска и регулирования скорости вращения электродвигателей.
При пуске в исходном состоянии схемы силовые ячейки всех уровней отключены, а все байпасные полупроводниковые ключи К разомкнуты, и на выходе преобразователя частоты напряжение отсутствует. При поступлении команды на пуск электродвигателя М система управления СУ вычисляет мгновенные значения напряжения каждой фазы необходимой частоты и подает команды на включение и отключение силовых ячеек и байпасных ключей таким образом, чтобы дискретность изменения выходного напряжения преобразователя частоты равнялась выходному напряжению ячеек верхнего уровня n.
В рабочем режиме, в режиме регулирования скорости вращения число включенных ячеек и уровень выходного напряжения выбирается в зависимости от номинального напряжения электродвигателя и способа его частотного регулирования. При этом появляется возможность подключать к преобразователю частоты электродвигатели М, номинальное напряжение которых можно получить из уравнения (1) путем подбора включенных/выключенных силовых ячеек.
n
Благодаря выполнению ячеек с различным номинальным напряжением появляется возможность при одинаковом числе ячеек формировать выходное напряжение из большего числа уровней напряжения, чем в известном устройстве. Так, если все ячейки преобразователя частоты известного устройства имеют одинаковые выходные напряжения, то при числе уровней n=4 возможно получить только 4 уровня напряжения каждой полярности. В предлагаемом устройстве при дифференцированных напряжениях каждого уровня при n=4 получается 2=16 уровней.
На фиг.2 показана форма выходного напряжения многоуровневого преобразователя частоты, если все ячейки имеют одинаковые выходные напряжения, и число уровней и ячеек n=4.
На фиг.3 показана форма выходного напряжения многоуровневого преобразователя частоты при дифференцированных напряжениях каждого уровня и числе ячеек n=4. Видно, что форма напряжения на фиг.3 значительно ближе к синусоидальной.
Таким образом, в предложенном устройстве обеспечивается увеличенное число уровней напряжения на выходе преобразователя частоты при меньшем числе вторичных обмоток входного многообмоточного трансформатора и при меньшем количестве силовых ячеек. Кроме того, благодаря подключению управляющих входов байпасных ключей не только к диагностическим выводам системы управления, но и к управляющим, появляется возможность управлять положением байпасных ключей не только при неисправности силовой ячейки, но и в рабочих режимах, таких как режим пуска или режим регулирования частоты. Это позволяет упростить конструкцию многоуровневого преобразователя частоты и расширить функциональные возможности за счет возможности использования с электродвигателями разных номинальных напряжений.