ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к области преобразовательной техники.
Известен преобразователь частоты большой мощности (фирмы Siemens), содержащий трансформатор с двумя комплектами трехфазных обмоток, два управляемых выпрямителя, емкостной фильтр, три трехфазных инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, причем инверторы напряжения подключены к трем трехфазным обмоткам статора асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (Иванов Г.М., Иванов А.Г. Электропривод в химической и целлюлозно-бумажной отраслях промышленности: Монография - М.: МГИУ, 2008, стр.134-137).
Известен высоковольтный преобразователь частоты (типа «Simovert MV» фирмы Siemens), содержащий 12 транзисторных IGBT ключей, два источника постоянного напряжения на базе трехфазных мостов с емкостными фильтрами и высоковольтный трансформатор с тремя комплектами трехфазных обмоток (см. Г.Лазарев. Высоковольтные преобразователи для частотного регулируемого электропривода. Построение различных систем // Новости электротехники, №2 (32), 2005).
Недостатками известных устройств являются значительные электрические потери энергии, в результате двойного процесса преобразования электрической энергии, который происходит в многообмоточном и промежуточном трансформаторах высоковольтного преобразователя частоты. Еще одним недостатком являются большие габариты устройства.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является высоковольтный преобразователь частоты (типа «Perfect Harmony» фирмы «Robicon»), состоящий из фазных вентильных секций, соединенных в звезду, входы которых соединены с трехфазной системой питания, а выходы подключены к трехфазной нагрузке, каждая фазная вентильная секция содержит m силовых ячеек, выходы которых соединены последовательно, при этом каждая силовая ячейка содержит выпрямитель, подключенный к емкостному фильтру, который соединен с входом однофазного инвертора напряжения. Причем каждая вторичная обмотка трансформатора подключена к силовой ячейке, а однофазный инвертор напряжения выполнен двухуровневым (см. пат. США №6417644, Н02Р 3/18).
Недостатком прототипа являются значительные потери электрической энергии в результате двойного процесса преобразования электрической энергии, который происходит в многообмоточном и промежуточном трансформаторах, а также большие габариты преобразователя частоты в результате принятой схемы построения устройства.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в значительном сокращении электрических потерь энергии при одновременном уменьшении габаритов устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в высоковольтном преобразователе частоты, состоящем из фазных вентильных секций, соединенных в звезду, входы которых соединены с трехфазной системой питания, а выходы подключены к трехфазной нагрузке, каждая фазная вентильная секция содержит m силовых ячеек, выходы которых соединены последовательно, при этом каждая силовая ячейка содержит выпрямитель, подключенный к емкостному фильтру, который соединен с входом однофазного инвертора напряжения, согласно изменению, он снабжен реактором, через который входы фазных вентильных секций соединены с трехфазной системой питания, а их выходы - подключены к соответствующим фазным нагрузкам, при этом в каждой силовой ячейке выпрямитель выполнен однофазным трехуровневым активным, емкостной фильтр состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов со средней точкой, а однофазный инвертор напряжения выполнен трехуровневым, причем входы силовых ячеек в каждой фазной вентильной секции соединены последовательно.
Технический результат заключается в повышении энергоемкости высоковольтного преобразователя частоты и качества потребляемой электрической энергии, благодаря улучшению гармонического состава входного напряжения и тока.
Сущность заявляемого технического решения поясняется схемами и диаграммами, где:
- на фиг.1 изображена функциональная схема заявляемого устройства;
- на фиг.2 представлена схема силовой ячейки;
- на фиг.3 показаны напряжения на выходе каждой силовой ячейки и суммарное фазное напряжение на нагрузке;
Ф
- на фиг.4 приведена ступенчатая диаграмма фазного напряжения U(t) на выходе фазной секции заявляемого устройства, для m=3.
Заявляемое устройство (фиг.1) содержит фазные вентильные секции 1, выполненные идентично и соединенные в звезду, входы которых соединены с трехфазной системой питания через реактор 2, а выходы фазных вентильных секций подключены к трехфазной нагрузке 3. Причем каждая фазная вентильная секция 1 содержит m силовых ячеек 4, каждая из которых (фиг.2) содержит однофазный трехуровневый активный выпрямитель 5, выход которого подключен к емкостному фильтру 6, а последний соединен с входом однофазного трехуровневого инвертора напряжения 7. Причем выпрямитель 5 содержит восемь ключей с обратными диодами 8-15 и четыре дополнительных диода 16-19, вход выпрямителя 5 является входом силовой ячейки 4. Емкостный фильтр 6 состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов 20 и 21 со средней точкой. Однофазный трехуровневый инвертор напряжения 7 содержит восемь ключей с обратными диодами 22-29 и четыре дополнительных диода 30-33, выход инвертора напряжения 7 является выходом силовой ячейки 4. Входы силовых ячеек 4 в каждой фазной вентильной секции 1 соединены между собой последовательно. Выходы силовых ячеек 4 в каждой фазной вентильной секции 1 соединены последовательно и подключены к соответствующим фазным нагрузкам 34, 35, 36, которые электрически не связаны между собой.
0
0
0
0
0
Минимальное выходное напряжение, которое формируется каждой силовой ячейкой 4 равно 1U, максимальное напряжение - 2U. Напряжение 1U - это напряжение на каждом из конденсаторов 20 и 21 емкостного фильтра 6 силовой ячейки 4. Максимальное выходное напряжение на одной фазной вентильной секции 1-2mU. Каждая ступень в диаграммах выходного фазного напряжения на одной фазной вентильной секции 1 равна напряжению на конденсаторе 20 (21) емкостного фильтра 6 силовой ячейки 1U. Отличительной особенностью заявляемого технического решения является то, что значительное сокращение электрических потерь энергии и уменьшение габаритных размеров высоковольтного преобразователя частоты достигается за счет последовательного соединения входов силовых ячеек между собой, создания многоуровневого напряжения и улучшения гармонического состава входного напряжения и тока в высоковольтном преобразователе частоты.
Работу высоковольтного преобразователя частоты рассмотрим на примере работы однофазного трехуровневого инвертора напряжения 7.
о
1
o
зад
o
ф
о
0
2
o
зад
o
ф
о
0
m
o
ф
о
0
m+i
o
m+1
о
зад
о
ф
о
0
0
m+2
o
зад
o
ф
о
0
0
o
ф
о
0
Используем синусоидальный широтно-импульсный способ управления ключами однофазного трехуровневого инвертора напряжения 7. Рассмотрим временной интервал равный Т (фиг.3). Все силовые ячейки 4 идентичны. При включенных ключах 23, 28, 29 во всех силовых ячейках 4 фазной вентильной секции 1 в течение времени длительностью t=T/m, но с задержкой на включение t=T/m, указанных ключей, каждой последующей ячейки относительно предыдущей получим суммарное положительное фазное напряжение U на фазной нагрузке 34 за время Т равно 1U (фиг.3). При включенных ключах 23, 28, 29 во всех силовых ячейках 4 фазной вентильной секции 1 в течение времени длительностью t=2T/m, но с задержкой на включение t=T/m - суммарное положительное фазное напряжение U на фазной нагрузке 35 за время Т равно 2U. При включенных ключах 23, 28, 29 во всех силовых ячейках 4 фазной вентильной секции 1 в течение времени длительностью t=mT/m, суммарное положительное фазное напряжение U на нагрузке 35 за время Т равно mU. При дальнейшем рассмотрении работы инвертора напряжения 7 ключи 23, 28, 29 во всех силовых ячейках фазной вентильной секции 1 в течение времени длительностью t=T, включены. При включении ключа 22 во всех силовых ячейках фазной вентильной секции 1 в течение времени длительностью t=Т/m, но с задержкой на включение t=Т/m, указанных ключей, каждой последующей ячейки относительно предыдущей получим суммарное положительное фазное напряжение U на нагрузке 35 за время Т равно (mU+1U). При включении ключа 22 во всех силовых ячейках фазной вентильной секции 1 в течение времени длительностью t=2T/m, но с задержкой на включение t=T/m - суммарное положительное фазное напряжение U на фазной нагрузке 35 за время Т равно (mU+2U). При включении ключа 22 во всех силовых ячейках фазной вентильной секции 1 в течение времени длительностью t=mT/m, суммарное положительное фазное напряжение U на фазной нагрузке 35 за время Т равно 2mU. Аналогично можно получить положительные полуволны синусоид для фазных нагрузок 35 и 36, используя описанный способ управления ключами 22, 23, 28, 29 однофазного трехуровневого инвертора напряжения 7 силовых ячеек 4 в других фазных вентильных секциях 1.
Для получения отрицательных полуволн синусоид на нагрузках 34, 35, 36 используем описанный способ управления вначале ключами 24, 26, 27, а затем ключами 24, 25, 26, 27 однофазного трехуровневого инвертора напряжения 7 силовых ячеек 4 в фазных вентильных секциях 1.
Нулевая ступень фазного напряжения может быть получена несколькими путями, первый способ одновременным включением ключей 22, 23, 26, 27, второй способ одновременным включением ключей 23, 24, 27, 28 и третий способ одновременным включением ключей 24, 25, 28, 29.
0
Импульсы управления ключами 8-15 однофазного трехуровневого активного выпрямителя 5 формируются системой управления выпрямителя (на фиг. не показано) с учетом линейных напряжений и фазных токов высоко-вольтного источника питания, а также выпрямленного напряжения U на емкостных фильтрах 6. При этом система управления выпрямителем может: формировать фазные токи сети, близкие к синусоиде; поддерживать коэффициент мощности сети близкий к единице; обеспечивать двунаправленную передачу энергии.
Входное и выходное напряжения силовой ячейки 4 представляют собой широтно-импульсно модулированные сигналы, в которых помимо основной гармоники содержатся еще и высшие гармоники. Широтно-импульсная модуляция обеспечивается с помощью переключений ключевых элементов - мощных силовых транзисторов. При последовательном соединении силовых ячеек по входу основные гармоники складываются, и в результате получается требуемое напряжение, а благодаря специальному алгоритму переключения ключей часть высших гармоник вычитается, что улучшает гармонический состав входного напряжения. Подобный результат получаем и для выходного напряжения.
Ф
Количество силовых ячеек 4 в фазной вентильной секции 1 составляет два и более, а значит входное и выходное напряжения преобразователя частоты, может быть довольно высоким при низких напряжениях ключей. Величина выходного напряжения преобразователя частоты регулируется на каждой ступени переключением ячеек, а частота - методом частотной модуляции. Для частного случая, когда количество силовых ячеек в фазной вентильной секции заявляемого устройства, как и в прототипе равно m=3, количество уровней (ступеней) выходного фазного напряжения равно шести. Ступенчатая диаграмма выходного фазного напряжения U(t) для частного случая приведена на фиг.4.
Существование силовых полупроводниковых приборов IGBT, IEGT высокого напряжения и заявляемое техническое решение позволяет повысить напряжение преобразователя и соответственно уменьшать его ток и электрические потери энергии. Заявляемая схема высоковольтного преобразователя частоты позволяет подключать его непосредственно к высоковольтной сети, исключить процесс двойного преобразования электрической энергии, который происходит в многообмоточном и дополнительном трансформаторах, а, следовательно, уменьшить электрические и магнитные потери, а также уменьшить габариты преобразователя частоты.
Увеличение количества уровней (ступеней) выходного напряжения преобразователя частоты приближает его форму к синусоиде и, тем самым, улучшает качество электроэнергии. Кроме того, увеличение количества уровней выходного напряжения преобразователя частоты позволяет обеспечить надежное деление напряжения между каждой из последовательно включенных ячеек и, тем самым, увеличить выходное напряжение и мощность устройства.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает значительное сокращение электрических потерь, что способствует росту энергоемкости и одновременно упрощает устройство.