УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ МАТРИЧНОГО КАСКАДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
DEVICE FOR PROTECTION OF MATRIX CASCADE FREQUENCY CONVERTER

1. Область техники.
Настоящее изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники, в частности к непосредственным преобразователям частоты (НПЧ) для регулирования высоковольтных электродвигателей переменного тока большой мощности.
2. Уровень техники.
Известно устройство управления 3-фазного двухзвенного НПЧ, построенного на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью с использованием программного метода высокочастотной адаптивной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), описанное, например, в [1; 2].
В указанном преобразователе частоты в качестве устройства компенсации реактивных (индуктивных) токов питающей сети при коммутации ключей на частоте ШИМ, в т.ч. в аварийных ситуациях при ошибках коммутации, используется способ подключения батареи конденсаторов к входным зажимам НПЧ. Такое решение задачи приводит к дополнительным потерям электроэнергии, т.е. к снижению кпд в нормальных режимах НПЧ, а также к увеличению массогабаритных показателей.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству является способ и устройство защиты матричного однокаскадного НПЧ на управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью и высокочастотной ШИМ, описанное в [3] (прототип). В указанном НПЧ используется достаточно сложный алгоритмический способ защиты, который включает в себя стадию выявления ошибки коммутации, а затем реализацию самой защиты, требующей соответствующего программирования.
Однако такой способ защиты сам по себе подвержен воздействию ошибок и сбоям программирования. Кроме того, в устройстве защиты присутствует блок с компенсирующим конденсатором, который посредством 3-фазного выпрямителя подключен к входным зажимам и, следовательно, длительно находится под выпрямленным напряжением питающей сети, что приводит к снижению кпд в нормальных режимах работы НПЧ.
3. Краткое описание чертежей.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображена блок-схема известного матричного 4-каскадного преобразователя частоты (МКПЧ) с высокочастотной синусоидальной ШИМ [4] и предлагаемого устройства его защиты.
В представленной блок-схеме фиг.1 используются следующие обозначения:
sa
sb
sc
1 - силовая часть МКПЧ; 2 - микропроцессорная система управления (СУ); 3 - волоконно-оптическая линия связи; 4 - каскад (матрица) МКПЧ; 5 - вакуумный контактор; 6 - потенциально развязанные источники питания (вторичные обмотки трансформатора); 7 - блок устройства защиты; 8 - сумматор; 9 - плата преобразователя оптического; 10 - плата преобразователя опто-сигналов; 11 - плата обратного преобразования оптосигналов; 12 - устройство управления контакторов; U, U, U - напряжения питающей сети.
Каждый каскад (матрица) рассматриваемого МКПЧ построен на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью по мостовой схеме. На фиг.2 изображены электрическая схема одного каскада (матрицы) упомянутого МКПЧ и схема одного блока устройства защиты.
В представленной схеме (фиг.2) одного каскада используются следующие обозначения:
tm
2tm
tm
ta
tb
tc
d
d
d
d
4.1 - ключи IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью; 4.2 - платы драйверных устройств; 7.1 - 3-фазный выпрямитель; 7.2 - датчик тока; 7.3 - пороговый элемент (варистор); 7.4 - компенсирующий конденсатор; 7.5 - балластный резистор; U, i, L, где (m=а, b, с) - напряжения, токи и собственные индуктивности фаз вторичной обмотки трансформатора (источника питания); ΔU, ΔU, ΔU - перенапряжения в фазах источника питания; ~U, i, R, L - выходные напряжения, ток и параметры эквивалентной нагрузки одного каскада.
На фиг.3 изображен внешний вид устройства защиты с двумя блоками, расположенными на общей плате, установленной в опытном образце МКПЧ.
4. Раскрытие изобретения.
Предлагаемое устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты по сравнению с прототипом [3] характеризуется более простым процессом реализации защиты, в частности в нём отсутствует стадия выявления ошибки коммутации, и тем самым обеспечивается увеличение надёжности срабатывания защиты.
Указанный технический результат достигается за счет отказа от алгоритмического способа защиты при одновременном введении в каждый блок с компенсирующим конденсатором, присутствующий в прототипе [3], датчика тока и порогового элемента (варистора) с нелинейной вольт-амперной характеристикой.
Предлагаемое устройство защиты m-фазного (А;В;С) матричного n-каскадного преобразователя частоты (фиг.1), состоящего из силовой части 1, микропроцессорной системы управления (СУ) 2 и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) 3, включает в себя n×m блоков 7, входные зажимы каждого из которых соединены с входными зажимами питания одного из n×m каскадов 4.
В состав каждого блока устройства защиты 7 входит (фиг.2) 3-фазный выпрямитель 7.1, выход которого через датчик тока 7.2 и пороговый элемент (варистор) 7.3 соединен с компенсирующим конденсатором 7.4, шунтированным балластным резистором 7.5.
2ta
2tb
2tc
Выходы датчиков тока 7.2 каждого блока 7 попарно посредством сумматора 8 объединены в один общий канал, соединенный с платой преобразователя оптического 9, который в свою очередь по каналам ВОЛС 3 подключен к микропроцессорной СУ 2. Последняя по каналам ВОЛС 3 через платы преобразователей оптосигналов 10 соединена с платами драйверных устройств 4.2, обладающих функцией собственной защиты ключей IGBT-модулей 4.1 от токов (i; i; i при перегрузках и коротких замыканиях (к.з.).
Кроме того, СУ 2 (фиг.1) по каналам ВОЛС 3 соединена с платой обратного преобразования оптосигналов 11, выход которой подключен к устройству управления 12 контакторами 5.
Предлагаемое устройство защиты работает следующим образом: Если во время нормальной работы в одном из каскадов 4 (фиг.2) какой-либо фазы МКПЧ возникает аварийная ситуация по одной из следующих причин:
- из-за срабатывания собственной защиты какого-либо драйверного устройства 4.2 на отключение ключей IGBT-модуля 4.1 от токов перегрузки или к.з. во входной или выходной цепи;
- из-за обрыва в цепях формирования или канализации управляющих электро- или оптосигналов на включение ключей IGBT-модулей 4.1;
- из-за программной ошибки в алгоритме коммутации ключей IGBT-модулей 4.1,
то цепь питания этого каскада 4 хотя бы по одной фазе оказывается разомкнутой.
2ta
2tb
2tc
ta
tb
tc
ta
tb
tc
2ta
2tb
2tc
В результате из-за разрыва цепи входных токов (i; i; i) собственные индуктивности (L; L; L) источника питания (вторичной обмотки трансформатора) 6 вызывают всплеск перенапряжений (ΔU; ΔU; ΔU). При превышении перенапряжений уровня, определяемого пороговым элементом (варистором) 7.3, входные токи (i; i; i) замыкаются по цепи: 3-фазный выпрямитель 7.1 - датчик тока 7.2 - пороговый элемент 7.3 - компенсирущий конденсатор 7.4 - балластный резистор 7.5.
Возникший электрический сигнал на выходе датчика тока 7.2 поступает на плату преобразователя оптического 9, который формирует оптосигнал и по каналу ВОЛС 3 передает его в микропроцессорную СУ 2. Последняя в соответствии с программой ее работы прерывает поступление управляющих оптосигналов на платы драйверных устройств 4.2 остальных каскадов в этой и в двух других фазах, осуществляя выключение ключей всех IGBT-модулей 4.1 МКПЧ. Кроме того, СУ 2 (фиг.1) формирует оптосигналы на отключение контакторов 5, которые по каналам ВОЛС 3 поступают на платы обратного преобразования оптосигналов 11 в электрические сигналы, воздействующие на устройства управления 12 контакторов 5 каждого каскада 4 в каждой фазе (А;В;С).
Таким образом, после возникновения аварийной ситуации в одном из каскадов 4 какой-либо фазы хотя бы по одной из вышеперечисленных причин входная цепь 3-фазного питания оказывается разомкнутой и реактивная энергия источника питания 6 автоматически компенсируется предлагаемым устройством защиты 7, вызывая лавинообразные процессы выключения ключей IGBT-модулей 4.1 остальных каскадов в этой и в других фазах и отключения контакторов 5 на входах мостовых схем каждого каскада 4 во всех фазах (А;В;С) МКПЧ. Причем на компенсирующем конденсаторе 7.4 в исходном состоянии благодаря наличию порогового элемента 7.3 отсутствует напряжение, что способствует повышению кпд в нормальных режимах работы МКПЧ по сравнению с НПЧ прототипа [3].
5. Осуществление изобретения.
Предлагаемое устройство защиты разработано и изготовлено в виде отдельной платы с двумя блоками по схеме фиг.2 для установки в опытном образце матричного каскадного преобразователя частоты, предназначенного для питания гребного электродвигателя переменного тока высокого напряжения.
На фиг.3 изображен внешний вид устройства защиты с двумя блоками, расположенными на общей плате, установленной в шкафу опытного образца матричного 4-каскадного преобразователя частоты типа НПЧ-4,5-100УХЛ4 по схеме фиг.1 мощностью 1,0 МВт.
Литература
1. Устройство и способ управления обратимым преобразователем энергии переменного тока в энергию переменного тока. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А. и др. Патент RU №2265947 С2, кл. Н02М 5/27 от 09.07.2002.
2. Способ преобразования частоты. Шрейнер Р.Т., Кривовяз В.К. и др. Патент RU №2269860 С2, кл. Н02М 5/16 от 16.09.2003.
3. Method and apparatus for protecting PWM cycloconverter. Sawa Toshihiro, … Патент Яп. № EP 1154552, кл. Н02М 5/27 от 14.11.2001.
4. Устройство формирования и регулирования напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты с высокочастотной синусоидальной ШИМ. Скворцов Б.А., Васин И.М. и др. Заявка №2010129681/07 от 15.07.2010. (Решение Федеральной службы РОСПАТЕНТ о выдаче патента на изобретение №2010129681/07 (042187) от 02.02.2011).