ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С АКТИВНЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ

Полезная модель относится к области силовой преобразовательной технике и может быть использована для питания асинхронных и синхронных электродвигателей напряжением 6,3 и 10 кВ и мощностью 0,5-15 МВт с широтно-импульсной модуляцией.
Известен многоуровневый преобразователь частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей, содержащий силовой трансформатор, выходной фильтр, главный блок управления, инверторно-рекуперационные модули, каждый из которых состоит из силовых транзисторов со встроенными обратными диодами, образующих два однофазных моста, соединенных параллельно по цепи постоянного тока через датчик тока, причем к цепи постоянного тока первого моста подключена батарея конденсаторов, а цепь переменного тока первого моста подключена к одной из вторичных обмоток силового трансформатора через датчик тока и ключ, состоящий из двух тиристоров, соединенных встречно-параллельно, а цепь переменного тока второго моста, являющаяся выходом модуля, включена последовательно с выходами других модулей таким образом, что образуются три группы, соединенные в звезду, к выходу которых подключен выходной фильтр через датчик тока, причем каждый модуль содержит местный блок управления, служащий для формирования импульсов управления силовыми транзисторами в соответствии с текущими параметрами и сигналами управления, поступающими по оптическому каналу с главного блока управления (см. патент РФ №2303851, H02M 7/539).
Недостатком известного устройство является его низкий коэффициент полезного действия. Это обусловлено потерями мощности в силовом трансформаторе от действий низкочастотных гармоник тока в результате применения однофазной схемы выпрямления в инверторно-рекуперационных модулях, а также коммутационными потерями мощности в силовых ключах указанных моделей в результате применения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с высокой несущей частотой модуляцией.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями, содержащий первый, второй и третий фазосдвигающие силовые трансформаторы, первичные трехфазные обмотки которых соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20, 0 и -20 градусов и подключены к общему источнику питания, а их вторичные трехфазные обмотки подключены соответственно к первому, второму и третьему преобразователям частоты, каждый из которых состоит из трехуровневого активного выпрямителя, звена постоянного тока с нулевой точкой, трехуровневого инвертора напряжения и дросселя, при этом одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока. Указанный преобразователь частоты используется для современных электроприводов прокатных станов, выполненных на базе мощных синхронных двигателей (см. статью Т.Р. Храмшин, Г.П. Корнилов, А.А. Николаев и др. Исследование воздействия активных выпрямителей большой мощности на питающую сеть // Вестник ИГЭУ. Вып. 1 / 2013. С. 80-83.).
Недостатком известного устройства является его низкий коэффициент полезного действия. Это обусловлено потерями мощности в силовых трансформаторах от действий относительно низкочастотных гармоник тока в результате применения ШИМ с низкой несущей частотой модуляцией.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышение коэффициента полезного действия высоковольтного преобразователя частоты большой мощности с активными выпрямителями за счет снижения потерь мощности в фазосдвигающих силовых трансформаторах.
Технический результат полезной модели заключается в создании условий обеспечивающих уменьшение уровня высших гармоник входных токов активных выпрямителей при одновременном поддержании первой гармоники напряжения на уровне, задаваемом коэффициентом модуляции.
Поставленная задача решается тем, что высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями, содержащий первый, второй и третий фазосдвигающие силовые трансформаторы, первичные трехфазные обмотки которых соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20, 0 и -20 градусов и подключены к общему источнику питания, а их вторичные трехфазные обмотки подключены соответственно к первому, второму и третьему преобразователям частоты, каждый из которых состоит из трехуровневого активного выпрямителя, звена постоянного тока с нулевой точкой, трехуровневого инвертора напряжения и дросселя, при этом одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока, согласно изменению, снабжен датчиком напряжения источника питания, блоком управления, блоком коррекции углов переключения и по количеству преобразователей частоты снабжен датчиками переменного тока и датчиками напряжения звена постоянного тока, при этом первый вход блока управления подключен к источнику питания через датчик напряжения источника питания, его второй, третий и четвертый входы подключены к датчикам переменного тока, установленным в цепях питания соответственно первого, второго и третьего преобразователей частоты, а пятый, шестой и седьмой входы блока управления подключены к датчикам напряжения звена постоянного тока, установленным в цепях питания трехуровневого инвертора напряжения соответственно первого, второго и третьего преобразователей частоты, выход указанного блока управления подключен к входу блока коррекции углов переключения, первый, второй и третий выходы которого подключены к входам управления трехуровневых активных выпрямителей соответственно первого, второго и третьего преобразователей частоты.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображена функциональная схема высоковольтного преобразователя частоты большой мощности с активными выпрямителями;
- на фиг.2 приведена форма фазного напряжения на входе трехуровневого активного выпрямителя по отношению к нулевой точке в звене постоянного тока;
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
- на фиг.3 приведены зависимости углов переключения α, α, α, α, αот коэффициента модуляции µ для метода ШИМ, обеспечивающего заданное значение первой гармоники в напряжении трехуровневых активных выпрямителей, минимум высших гармоник в токе преобразователей частоты, достаточный запас по углу между углами переключения α, α, α, α, α;
- на фиг.4 приведены зависимости амплитуд гармоник тока трехуровневого активного выпрямителя от коэффициента модуляции // по методу минимизации высших гармоник в токе отдельного преобразователя частоты.
Заявляемое устройство (фиг. 1) содержит первый 1, второй 2 и третий 3 фазосдвигающие силовые трансформаторы, первичные трехфазные обмотки которых соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20, 0 и -20 градусов и подключены к общему источнику питания 4. Их вторичные трехфазные обмотки подключены соответственно к первому 5, второму 6 и третьему 7 преобразователям частоты. Каждый преобразователь частоты состоит из трехуровневого активного выпрямителя 8, звена постоянного тока 9 с нулевой точкой, трехуровневого инвертора напряжения 10 и дросселя 11. При этом одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты 5, 6 и 7 соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока 12. Устройство дополнительно снабжено датчиком напряжения источника питания 13 (фиг. 1), блоком управления 14, блоком коррекции углов переключения 15 и по количеству преобразователей частоты снабжен датчиками переменного тока 16 и датчиками напряжения звена постоянного тока 17. При этом первый вход блока управления 14 подключен к источнику питания 4 через датчик напряжения источника питания 13, его второй, третий и четвертый входы подключены к датчикам переменного тока 16, установленным в цепях питания соответственно первого 5, второго 6 и третьего 7 преобразователей частоты. Пятый, шестой и седьмой входы блока управления 14 подключены к датчикам напряжения звена постоянного тока 17, установленным в цепях питания трехуровневого инвертора напряжения 10 соответственно первого 5, второго 6 и третьего 7 преобразователей частоты. Выход блока управления 14 подключен к входу блока коррекции углов переключения 15, первый, второй и третий выходы которого подключены к входам управления трехуровневых активных выпрямителей 8 соответственно первого 5, второго 6 и третьего 7 преобразователей частоты.
Конструктивное исполнение трехуровневых активных выпрямителей 8 и трехуровневых инверторов напряжения 10 идентичное, что позволяет обеспечить работу электропривода, как в двигательном, так и в генераторном режиме. Кроме того, преобразователи частоты 5, 6 и 7 являются многоуровневыми, что способствует улучшению формы выходного напряжения при относительно невысокой частоте коммутации.
Вторичные линейные напряжения фазосдвигающих силовых трансформаторов 1, 2 и 3 номинальные и равны между собой. При этом они обеспечивают в сетевом токе источника питания 4 присутствие гармоник, порядок которых определяется известным выражением 18n±1, где n=1, 2, 3, …. В трехуровневых активных выпрямителях 8 входной ток каждого преобразователя частоты содержит гармоники, ряд которых определяется выражением 6n±1, где n=1, 2, 3, ….
Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями работает следующим образом.
Мощный двигатель переменного тока 12 (фиг. 1) получает питание одновременно от трех преобразователей частоты 5, 6 и 7, которые совместно со своими фазосдвигающими силовыми трансформаторами соответственно 1, 2 и 3 образуют три параллельные ветви, подключенные по входу к общему источнику питания 4. Такое схемное решение устройства уменьшает токи указанных трансформаторов, токи силовых ключей трехуровневых активных выпрямителей 8 и токи трехуровневых инверторов напряжения 10, а, следовательно, снижаются потери мощности в высоковольтном преобразователе частоты.
1
2
3
4
5
Заявляемое устройство осуществляет метод минимизации высших гармоник в токе каждого преобразователя частоты. На фиг. 2 приведена форма фазного напряжения на входе трехуровневого активного выпрямителя 8, по отношению к нулевой точке в звене постоянного тока 9. Здесь α, α, α, α, α углы переключения, которые зависят от коэффициента модуляции µ для метода ШИМ, обеспечивающего заданное значение первой гармоники напряжения и снижение уровня нежелательных гармоник в токе. Приведенная на фиг. 2 форма фазного напряжения позволяет исключить любые четыре гармоники напряжения или снизить их уровень для текущего значения коэффициента модуляции µ.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
1
1Z
2
h
hZ
1
1Z
h
hZ
1
2
1
2
3
4
5
2
2
Для расчета углов переключения α, α, α, α, α в заявляемом техническом решении задается целевая функция, в которой задают три условия: поддерживают первую гармонику напряжения на уровне, задаваемом коэффициентом модуляции µ; уменьшают уровни высших гармоник в токе до желаемого значения; обеспечивают достаточный запас по углу между углами переключения α, α, α, α, α (фиг. 2), что позволяет сохранить надежность управления силовыми ключами трехуровневого активного выпрямителя. Целевая функция имеет вид: E=k·(U-U)+k·(I-I), где U - амплитуда первой гармоники напряжения активного выпрямителя, U - заданное значение первой гармоники напряжения активного выпрямителя, I - действующее значение тока высших гармоник, I - заданное действующее значение тока высших гармоник, k, k - весовые коэффициенты. Для того чтобы выполнились указанные условия, необходимо, чтобы целевая функция стремилась к нулю. Для нахождения минимального значения целевой функции используется метод градиентного спуска. В заявляемом устройстве были заранее рассчитаны и сохранены в блоке коррекции углов переключения 15 оптимальные значения углов переключения α, α, α, α, α, удовлетворяющие ранее перечисленным трем условиям и обеспечивающие снижение потери мощности в фазосдвигающих силовых трансформаторах 1, 2 и 3.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
5
7
11
13
5
7
13
На фиг. 3, для заявляемого устройства, приведены зависимости углов переключения α, α, α, α, α от коэффициента модуляции µ. Указанные углы обеспечивают заданное значение первой гармоники в напряжении трехуровневого активных выпрямителей 8, минимум высших гармоник в токе преобразователей частоты 5, 6 и 7 и достаточный запас по углу между углами переключения α, α, α, α, α. При этом на входах трехуровневых активных выпрямителей 8 (фиг. 1) формируются пять импульсов на полупериод фазного напряжения, приведенных на фиг. 2. На фиг. 4, для заявляемого устройства, приведены зависимости амплитуд гармоник тока I, I, I и I трехуровневого активного выпрямителя 8 от коэффициента модуляции µ. Коммутационные потери на силовых ключах трехуровневого активного выпрямителя 8 остаются минимальными, так как частота коммутации низкая. Потери при этом мощности в фазосдвигающих силовых трансформаторах 1, 2 и 3 (фиг. 1) значительно снижаются, так как амплитудные значения I, I и Iгармоник тока (фиг. 4) существенно уменьшаются.
µ
1
2
3
4
5
По сигналам с датчика напряжения источника питания 13 (фиг. 1), датчикам переменного тока 16 и датчикам напряжения звена постоянного тока 17 блок управления 14 формирует сигналы управления U для блока коррекции углов переключения 15. Последний по ранее записанным в нем значениям углов переключения α, α, α, α, α формирует сигналы управления силовыми ключами трехуровневых активных выпрямителей. При этом на входе каждого указанного трехуровневого активного выпрямителя 8 формируется фазное напряжение (фиг. 2), которое удовлетворяет ранее указанным требованиям и обеспечивает снижение потерь в фазосдвигающих силовых трансформаторах 1, 2 и 3 (фиг. 1).
1
2
3
4
5
Таким образом, заявляемое устройство, обеспечивает минимизацию высших гармоник в токе преобразователей частоты, что позволяет повысить коэффициент полезного действия высоковольтного преобразователя частоты за счет снижения потерь мощности в фазосдвигающих силовых трансформаторах. Кроме того, выбор значений углов переключений α, α, α, α, α с учетом достаточного запаса по углу между ними обеспечивает надежность управления силовыми ключами трехуровневых активных выпрямителей, а, следовательно, заявляемого схемного решения в целом.