МНОГОУРОВНЕВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ПИТАНИЯ СИНХРОННЫХ И АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ОТ ИСТОЧНИКА ВЫСОКОГО ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
MULTILEVEL POWER CONVERTER SUPPLYING SYNCHRONOUS AND ASYNCHRONOUS MOTORS FROM HIGH DC VOLTAGE SOURCE

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для питания синхронных и асинхронных двигателей от источника высокого постоянного напряжения.
Известны устройства распределения мощности в бестрансформаторных многоуровневых преобразователях частоты [1], в которых напряжение в звене постоянного тока делится на необходимое число уровней за счет последовательного соединения буферных конденсаторов, а выходные цепи преобразователя в каждый момент времени через последовательно соединенные силовые ключи подсоединяются к требуемому узлу в соединении буферных конденсаторов.
Существенными недостатками таких устройств являются относительно низкая надежность, обусловленная возможностью возникновения на буферных конденсаторах и силовых ключах недопустимо высокого напряжения, а также потеря работоспособности всего устройства при выходе из строя какого-либо элемента.
Известно также устройство распределения мощности [2], содержащее силовой низкочастотный (50-60 Гц) трансформатор, выходной фильтр, инверторно-рекуперационные модули, каждый из которых содержит два однофазных моста, состоящих из силовых транзисторов с обратными диодами, и батарею буферных конденсаторов, причем цепи постоянного тока обоих мостов подсоединены параллельно батарее буферных конденсаторов, цепь переменного тока первого моста подсоединена к одной из вторичных обмоток силового трансформатора, а цепь переменного тока второго моста, являющаяся выходом модуля, подсоединена последовательно с выходами других модулей таким образом, что образуются три группы, соединенные в звезду, к выходу которой подключен выходной фильтр.
Достоинством указанного преобразователя является наличие функции рекуперации энергии, а также возможность построения преобразователя с высокой надежностью работы при постановке на инверторно-рекуперационные модули байпасных контуров, обеспечивающих работоспособность преобразователя частоты в целом при выходе из строя какого-либо инверторно-рекуперационного модуля.
Однако это устройство обладает и недостатками, например высокие массогабаритные показатели низкочастотного (50-60 Гц) трансформатора и большая суммарная емкость буферных конденсаторов, требующаяся для уменьшения низкочастотных провалов напряжения в звеньях постоянного тока инверторно-рекуперационного модулей.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному и взятым за прототип является устройство, выполненное по способу распределения мощности в многоуровневом преобразователе частоты для питания синхронных и асинхронных двигателей [3], включающее выходные инверторно-рекуперационные модули, каждый из которых содержит первый высокочастотный и второй мосты и конденсатор, при этом цепи постоянного тока первого и второго мостов подсоединены параллельно к конденсатору, цепь переменного тока второго моста соединена последовательно с цепями переменного тока вторых мостов других выходных инверторно-рекуперационных модулей таким образом, чтобы образовались группы, соединенные в звезду, а также первую и вторую группы высокочастотных трансформаторов и входные инверторно-рекуперационные модули, каждый из последних содержит высокочастотный мост и конденсатор, при этом цепи постоянного тока моста подсоединяют параллельно к конденсатору, причем цепи переменного тока мостов входных инверторно-рекуперационных модулей и первых мостов выходных инверторно-рекуперационных модулей соединяют между собой параллельно по переменному току через высокочастотные трансформаторы.
Недостатком наиболее близкого технического решения является неэффективное использование входных инверторно-рекуперационных модулей в случае подключения входа преобразователя к линии питания высокого постоянного напряжения вследствие наличия во входных инверторно-рекуперационных модулях вторых однофазных мостов. Следовательно, наличествуют необоснованные потери мощности и КПД преобразователя, излишне большие массогабаритные показатели.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в повышении КПД преобразователя и снижении его массогабаритных показателей при работе от линии питания высокого постоянного напряжения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение КПД преобразователя и снижение его массогабаритных показателей при работе от линии питания высокого постоянного напряжения.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в многоуровневом преобразователе электроэнергии для питания синхронных и асинхронных двигателей от источника высокого постоянного напряжения, включающем выходные инверторно-рекуперационные модули, каждый из которых содержит первый высокочастотный и второй мосты и конденсатор, при этом цепи постоянного тока первого и второго мостов подсоединены параллельно к конденсатору, цепь переменного тока второго моста соединена последовательно с цепями переменного тока вторых мостов других выходных инверторно-рекуперационных модулей таким образом, чтобы образовались группы, соединенные в звезду, а также первые и вторые высокочастотные трансформаторы и входные инверторно-рекуперационные модули, каждый из последних содержит высокочастотный мост и конденсатор, при этом цепи постоянного тока моста подсоединяют параллельно к конденсатору, причем цепи переменного тока мостов входных инверторно-рекуперационных модулей и первых мостов выходных инверторно-рекуперационных модулей соединяют между собой параллельно по переменному току через высокочастотные трансформаторы, цепи постоянного тока мостов входных инверторно-рекуперационных модулей соединяют последовательно, а выводы полученной цепочки подключают к источнику высокого постоянного напряжения.
Отличительной особенностью изобретения является то, что в вышеуказанном устройстве цепи постоянного тока мостов входных инверторно-рекуперационных модулей соединяют последовательно, а выводы полученной цепочки подключают к источнику высокого постоянного напряжения.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства (элементы управления, защиты и прочие элементы, не меняющие сущность изобретения, не показаны).
Заявляемое устройство содержит входные инверторно-рекуперационные модули 1, каждый из которых состоит из высокочастотного моста 2 и конденсатора 3, первые и вторые высокочастотные трансформаторы 4 и 6, двухпроводную высокочастотную шину 5, выходные инверторно-рекуперационные модули 7, каждый из которых состоит из первого высокочастотного моста 8, второго моста 9 и конденсатора 10.
В каждом входном модуле 1 цепь постоянного тока моста 2 подсоединена параллельно конденсатору 3. Цепи постоянного тока мостов 2 соединены последовательно между собой, а выводы полученной цепочки подключены к источнику высокого постоянного напряжения. Цепи переменного тока мостов 2 подсоединены к трансформаторам 4. Трансформаторы 4 подсоединены к шине 5.
В каждом модуле 7 цепь постоянного тока моста 8 подсоединена параллельно конденсатору 10 и цепи постоянного тока моста 9. Цепи переменного тока мостов 8 подсоединены к трансформаторам 6. Трансформаторы 6 подсоединены к шине 5.
Цепи переменного тока мостов 9 соединены последовательно между собой таким образом, чтобы образовались группы, соединенные в звезду с выводами U, V, W для подключения двигателя.
Работа устройства в режиме передачи мощности в двигатель осуществляется следующим образом.
Входная мощность от линии высокого постоянного напряжения поступает на вход модулей 1. От цепей переменного тока мостов 2 мощность на высокой частоте поступает через трансформаторы 4 к шине 5, в которой суммируется вся мощность, поступающая от линии питания высокого постоянного напряжения. Далее от шины 5 через трансформаторы 6, мосты 8 и 9 мощность поступает в двигатель, подключаемый к выводам U, V, W.
Мостами 9 управляют таким образом, чтобы на выводах U, V, W оказывалось напряжение, требуемое для передачи мощности в двигатель. Управление всеми мостами 3 и 9 осуществляется с использованием единого частотозадающего сигнала.
Как следствие подсоединения всех трансформаторов 4 и 6 к одной шине 5, образующей единый высокочастотный энергетический узел, происходит автоматическое выравнивание напряжений в цепях постоянного тока всех модулей 2 и 8 подобно сообщающимся сосудам с жидкостью путем взаимного перетока мощности через шину 5.
Работа в режиме рекуперации происходит в обратном порядке.
Многоуровневость описанной системы обеспечивает низкий коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения.
Свойством заявляемого преобразователя является возможность задания любого алгоритма управления ключами выходных мостов 9, поэтому к выходу преобразователя, вместо двигателя, могут быть подсоединены другие потребители или источники электроэнергии.
Заявляемое изобретение позволяет снизить массогабаритные показатели и повысить КПД преобразователя при работе от линии высокого постоянного напряжения.
Источники информации
1. Донской Н.В. и др. Многоуровневые автономные инверторы. - Силовая электроника (www.power-e.ru), 2008 г., №1, с.43-46.
2. Патент RU №2303851 от 27.07.2007.
3. Патент RU №2489791 от 10.08.2013.