МНОГОУРОВНЕВЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
MULTI-LEVEL TRANSISTOR CONVERTER OF FREQUENCY FOR CONTROL OF AC ELECTRIC MOTOR

Многоуровневый транзисторный преобразователь частоты для управления электродвигателем переменного тока относится к области электротехники и может быть использован для пуска и регулирования скорости высоковольтных асинхронных и синхронных электродвигателей.
Известен пятиуровневый преобразователь частоты для регулирования скорости высоковольтных асинхронных электродвигателей (см. статью Донского Н.В., Иванова А.Г., Матисона В.А., Ушакова И.И. «Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и энергетики», журнал «Силовая Электроника», №1, 2008, стр.44, рис.1), выполненный на базе трехуровневых схем с фиксацией нейтрали, разработанный и внедренный фирмой ABB в серии преобразователей частоты для электроприводов ACS5000, содержащий в каждой фазе преобразователя частоты неуправляемый выпрямитель со средней точкой, соединенный выводами переменного тока к выходам двух вторичных обмоток силового трансформатора, и реверсивный однофазный инвертор на запираемых тиристорах.
Недостатками данного преобразователя являются:
- использование в преобразователе частоты запираемых тиристоров, обладающих малым быстродействием и большой мощностью управления (до 50 Вт на 1 тиристор);
- необходимость устанавливать дополнительно устройство для ограничения тока заряда конденсаторов фильтра в звене постоянного тока высоковольтного преобразователя частоты в первоначальный момент подачи силового напряжения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является многоуровневый транзисторный преобразователь частоты для управления асинхронным электродвигателем (патент US №5625545 с приоритетом от 29.04.1997), принятый за прототип, содержащий многообмоточный силовой трансформатор и последовательно соединенные 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 многообмоточного силового трансформатора, а выводами постоянного тока через блок выходного фильтра с входными выводами постоянного тока транзисторного однофазного инвертора.
Структурная схема низковольтной ячейки многоуровневого транзисторного преобразователя частоты для управления асинхронным электродвигателем представлена на Фиг.1. Каждая ячейка содержит трехфазный мостовой выпрямитель 9 с блоком входного фильтра 11 на выходе трехфазного мостового выпрямителя 9, транзисторный однофазный инвертор 12 и блок защитных предохранителей 32.
Обычно преобразователь частоты низковольтной ячейки многоуровневых транзисторных преобразователей частоты выполняются на напряжение питания 660 В, а силовые транзисторы инвертора применяются 17 класса (1700 В). При напряжении двигателя 6 кВ в одной фазе преобразователя частоты устанавливается до 5 шт. последовательно соединенных ячеек, а при напряжении сети 10 кВ до 9 ячеек (всего соответственно 15 и 27 ячеек), что значительно увеличивает габариты высоковольтного преобразователя частоты и требует установки сложного многообмоточного силового трансформатора. Потребляемая мощность цепей управления транзистора не превышает 3,6 Вт.
Недостатками прототипа являются:
- значительные габаритные размеры непосредственно преобразователя частоты и сложность конструкции многообмоточного силового трансформатора, обусловленные наличием большого количества низковольтных ячеек,
- необходимость устанавливать дополнительно устройство для ограничения тока заряда конденсаторов блока входного фильтра в звене постоянного тока высоковольтного преобразователя частоты в первоначальный момент подачи силового напряжения.
Упрощение конструкции преобразователя частоты и многообмоточного трансформатора возможно путем сокращения количества последовательно соединенных ячеек в фазе преобразователя частоты и выполнения их на большее напряжение, соответствующее достигнутому в настоящее время уровню напряжения силовых транзисторов (6500 В). Однако при выполнении ячейки на высокое напряжение (выше 1000 В) защитные предохранители также должны быть высоковольтными, имеющими большие габаритные размеры. Кроме того, резко возрастают динамические потери активной мощности в силовых транзисторах при их открытии, что снижает надежность их работы и требует дополнительного охлаждения или применения больших радиаторов, что также увеличивает габаритные размеры высоковольтной ячейки.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в ограничении токов заряда конденсаторов блока входного фильтра при первоначальном включении силового напряжения и выполнении функции токовой защиты системой управления ячейкой без применения силовых высоковольтных предохранителей, снижение динамических потерь активной мощности при включении транзисторов, снижение индуктивностей рассеяния соединительных проводов и перенапряжений на транзисторах при их выключении, сокращение общего количества ячеек и упрощение конструкции многообмоточного силового трансформатора.
Указанный технический результат достигается тем, что в многоуровневом транзисторном преобразователе частоты для управления электродвигателем переменного тока, содержащем многообмоточный силовой трансформатор, последовательно соединенные 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; трехфазный мостовой выпрямитель выполнен, по крайней мере, на тиристорах управляемым, а в цепь его связи с выходами вторичной обмотки многообмоточного трансформатора введены датчики тока, выходы которых соединены с входами блока управления ячейкой, между блоком выходного фильтра и транзисторным однофазным инвертором введен формирователь траектории открытия транзисторов инвертора, выполненный из n групп дросселей с разрядными резисторами и разделительными диодами, общие точки которых соединены через фильтровые конденсаторы с отрицательным выводом трехфазного мостового выпрямителя, первые выводы дросселей объединены и соединены с положительным выводом трехфазного мостового выпрямителя, транзисторный однофазный инвертор выполнен в виде m групп, последовательно соединенных транзисторов с объединенными эмиттерными выводами, подсоединенными к отрицательному выводу трехфазного мостового выпрямителя, и коллекторными выводами, соединенными со вторыми выводами дросселей формирователя траектории открытия транзисторов инвертора.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что трехфазный мостовой выпрямитель однофазного преобразователя частоты каждой ячейки многоуровневого транзисторного высоковольтного преобразователя частоты для управления двигателем переменного тока выполнен на тиристорах управляемым, в цепь связи выпрямителя с вторичной обмоткой многообмоточного силового трансформатора введены датчики тока, а в цепь связи фильтрового конденсатора с транзисторами однофазного инвертора введен формирователь траектории открытия транзисторов инвертора, состоящий из n групп дросселей, разделительных диодов и фильтровых конденсаторов; однофазный транзисторный инвертор выполнен из m групп последовательно соединенных транзисторов, к коллекторным выводам которых подключены выводы дросселей формирователя траектории.
Благодаря выполнению трехфазных мостовых выпрямителей однофазных преобразователей частоты ячеек управляемыми на тиристорах и введению датчиков тока фаз вторичных обмоток многообмоточного силового трансформатора ограничение токов заряда конденсаторов фильтра при первоначальном включении силового напряжения выполняется за счет изменения угла управления тиристоров трехфазных мостовых выпрямителей, а функцию токовой защиты выполняет система управления ячейкой путем снятия управляющих импульсов с тиристоров трехфазных мостовых выпрямителей в аварийном режиме (ограничение первой полуволны аварийного тока на допустимом для исправных тиристоров уровне осуществляется индуктивностями рассеяния обмоток многообмоточного силового трансформатора), что позволяет отказаться от установки громоздких высоковольтных предохранителей и дополнительных зарядных устройств, а введение формирователя траектории открытия транзисторов позволяет снизить динамические потери активной мощности при их включении, уменьшить темп нарастания тока силовой цепи в аварийном режиме при пробое одного из транзисторов транзисторного однофазного инвертора и более четко фиксировать уровень срабатывания максимально токовой защиты транзисторного однофазного инвертора, воздействующей на отключение ранее работавших транзисторов, снизив величину отключаемого аварийного тока исправными транзисторами и повысив тем самым надежность работы преобразователя частоты в целом. Разделение транзисторов транзисторных однофазных инверторов и конструктивных элементов формирователей траектории открытия транзисторов на m групп позволяет максимально приблизить размещение элементов формирователя траектории к транзисторам транзисторного однофазного инвертора, уменьшив длину соединительных проводов и их индуктивностей рассеяния, а значит, и снизив перенапряжения на транзисторах при их быстром закрытии, повысить надежность работы многоуровневого транзисторного преобразователя частоты. Применение высоковольтных ячеек с транзисторами на 6500 В в многоуровневых транзисторных преобразователях частоты позволяет сократить общее число ячеек в исполнении преобразователя на 6 кВ с 15 шт. до 6 шт. и в исполнении на 10 кВ - с 27 шт. до 9 шт., что практически в 2 раза уменьшает его габаритные размеры.
Для пояснения предлагаемого технического решения на Фиг.2 приведена структурная схема многоуровневого транзисторного преобразователя частоты для управления электродвигателем переменного тока с силовыми ячейками на напряжение 2 кВ для управления асинхронным двигателем с напряжением питания 6 кВ, а на Фиг.3 представлена структурная схема ячейки с высоковольтными транзисторами.
Многоуровневый транзисторный преобразователь частоты для управления двигателем переменного тока содержит многообмоточный силовой трансформатор 1 и последовательно соединенные ячейки 2-7, подключенные к статору асинхронного двигателя 8. Каждая ячейка многоуровневого преобразователя частоты (например, ячейка 2) выполнена в виде однофазного транзисторного преобразователя частоты, содержащего трехфазный мостовой выпрямитель 9 с выводами переменного тока, соединенными с выходами вторичной обмотки 10 многообмоточного силового трансформатора 1, а выводами постоянного тока через блок выходного фильтра 11 с входными выводами постоянного тока транзисторного однофазного инвертора 12, блок управления ячейкой 13. Трехфазный мостовой выпрямитель 9 однофазного транзисторного преобразователя частоты ячейки 2 выполнен на тиристорах управляемым, а в цепи его связи с выходами вторичной обмотки многообмоточного трансформатора установлены датчики тока 14, 15, 16, выходы которых соединены с входами блока управления ячейкой 13. В цепи связи блока выходного фильтра 11 однофазного транзисторного преобразователя частоты ячейки с входными выводами постоянного тока транзисторного однофазного инвертора 12 установлен формирователь траектории открытия транзисторов инвертора 17. Транзисторный однофазный инвертор 12 однофазного транзисторного преобразователя частоты ячейки 2 выполнен в виде m групп 18, 19 последовательно соединенных транзисторов 20, 21 и 22, 23, а формирователь траектории открытия транзисторов инвертора 17 выполнен в виде n дросселей 24, 25 с разрядными резисторами 26, 27, разделительными диодами 28, 29 и фильтровыми конденсаторами 30, 31. Эмиттерные выводы групп 18, 19 транзисторов 20-23 объединены и подсоединены к отрицательному выводу трехфазного мостового выпрямителя 9, а коллекторные выводы соединены с соответствующими выводами дросселей 24, 25, вторые выводы которых соединены с положительным выводом управляемого трехфазного мостового выпрямителя 9. Общие точки последовательно соединенных разрядных резисторов 26 и 27 с развязывающими диодами 28 и 29 соединены через фильтровые конденсаторы 30 и 31 формирователя траектории открытия транзисторов транзисторного однофазного инвертора 17 с отрицательным выводом управляемого трехфазного мостового выпрямителя 9.
В исходном состоянии схемы многообмоточный силовой трансформатор 1 подключен к сети и на выходе вторичной обмотки 10 есть напряжение, углы управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя 9 находятся в инверторном режиме, тиристоры закрыты и напряжение на конденсаторе блока выходного фильтра 11 и транзисторах однофазного инвертора 12 отсутствует, тока в силовой цепи двигателя 32 нет, и он находится в неподвижном состоянии. При поступлении команды на пуск электродвигателя углы управления тиристоров трехфазного мостового выпрямителя 9 плавно уменьшаются, и напряжение на его выходе плавно нарастает, появляется ток, и конденсаторы блока выходного фильтра 11 заряжаются до амплитуды напряжения вторичной обмотки 10 многообмоточного силового трансформатора 1. Уровень тока заряда конденсатора определяется темпом изменения углов управления тиристоров трехфазного мостового выпрямителя 9 и задается блоком управления ячейки 13. В дальнейшем начинают работать транзисторы 20…22 транзисторного однофазного инвертора 12 в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), формируя заданную кривую выходного напряжения (тока). Благодаря наличию индуктивностей дросселей формирователя траектории открытия транзисторов инвертора 17, ограничивающих фронт нарастания тока, открытие транзисторов происходит практически без тока, резко уменьшая выделяемую в этом режиме активную мощность потерь. Подготовка формирователя траектории открытия транзисторов инвертора 17 к включению следующего транзистора происходит во время задержки между отключением одного транзистора и включением другого, формируемой блоком управления ячейкой 13. При этом энергия, запасенная в индуктивностях дросселей формирователя траектории открытия транзисторов инвертора 17 от протекания тока преобразователя, гасится на активных резисторах 26, 27, а энергия, запасенная в индуктивности рассеивания соединительных проводов от формирователя траектории открытия транзисторов инвертора 17 до коллекторов транзисторов, выходящих из работы, гасится непосредственно в транзисторах, создавая перенапряжения при их быстром закрытии. Перенапряжения тем больше, чем длиннее соединительные провода и чем меньше время закрытия транзистора. Разбивка транзисторов транзисторного однофазного инвертора 12 на m групп и применение n дросселей формирователя траектории открытия транзисторов инвертора позволяет конструктивно расположить разделительные диоды 28, 29 и конденсаторы 30, 31 в непосредственной близости от соответствующих транзисторов, уменьшив тем самым длину соединительных проводов и перенапряжений при их закрытии, и повысить надежность работы преобразователя частоты в целом.
В аварийном режиме, например в случае выхода из строя одного из тиристоров трехфазного мостового выпрямителя 9 (его пробое) или при коротком замыкании в звене постоянного тока преобразователя частоты во вторичной обмотке 10 однофазного силового трансформатора 1, протекает аварийный ток, который фиксируется датчиками тока 14, 15, 16 и передается в блок управления ячейкой 13. При этом с тиристоров трехфазного мостового выпрямителя 9 снимаются управляющие импульсы, и они закрываются, пропуская лишь одну полуволну аварийного тока, величина которого ограничивается на допустимом уровне индуктивностями рассеяния обмоток 10 многообмоточного силового трансформатора 1. В случае выхода из строя одного из транзисторов транзисторного однофазного инвертора 12 (его пробое) другие транзисторы отключаются, управляющие импульсы с тиристоров трехфазного мостового выпрямителя 9 снимаются, происходит отключение многообмоточного силового трансформатора 1 от сети и снятие напряжения с преобразователя частоты.
Предлагаемое изобретение предлагается использовать в транзисторных частотно-регулируемых пусковых устройствах УБПВД-АЧ для управления высоковольтными асинхронными двигателями мощностью 1000-5000 кВт. При этом ячейка многоуровневого преобразователя частоты выполняется на напряжение питания 2000 В при применении транзисторов по напряжению 65 класса (6500 В).