ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОТВЕТСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ

Полезная модель относится к области регулируемого электропривода и может быть использована в высоковольтных электроприводах ответственных механизмов непрерывного действия, технологические режимы которых не допускают внеплановых остановок при кратковременных нарушениях электроснабжения.
Известен вентильно-индукторный электропривод, содержащий многофазный вентильно-индукторный электродвигатель с независимой обмоткой возбуждения, датчик положения ротора, устройства автоматического включения резерва, соответствующие входа которых соединены между собой и с основным и резервным вводами электропитания, а их выходы подключены к соответствующим входам трансформаторов напряжения, выходы которых соединены с независимыми между собой входами устройства распределения силового питания с коммутационной и защитной аппаратурой, преобразователи частоты, входа которых соединены с независимыми между собой выходами устройства распределения силового питания, станцию управления двигателем с коммутационной и защитной аппаратурой, независимые входа которой подключены к соответствующим силовым выходам преобразователей частоты, а независимые выходы - к соответствующим статорным обмоткам электродвигателя. Причем каждый преобразователь частоты имеет выходы для питания независимой обмотки возбуждения электродвигателя, а также информационные входа, подключенные к выходу датчика положения ротора, все преобразователи частоты соединены между собой локальной промышленной сетью, к которой подключены интеллектуальные модули (см. патент РФ №53515, H02M 5/40).
Недостатком известного устройства является его низкая надежность, что не позволяет обеспечить бесперебойную работу электропривода. Это обусловлено возможными сбоями в работе вентильно-индукторного электропривода, так как последний имеет сложную конструкцию, включающую электродвигатель специального исполнения с датчиком положения ротора, устройства распределения силового питания с коммутационной и защитной аппаратурой, станцию управления двигателем с коммутационной и защитной аппаратурой, а также большое количество преобразователей частоты, что снижает их надежность в целом.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является высоковольтный преобразователь частоты, содержащий многообмоточный трансформатор, трехфазная первичная обмотка которого соединена в треугольник, а первая, вторая и третья трехфазные вторичные обмотки соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20, 0 и -20 градусов, первый, второй и третий диодные трехфазные мостовые выпрямители, соединенные по постоянному току последовательно, образуя восемнадцатипульсную схему выпрямления, при этом по переменному току указанные выпрямители подключены соответственно к первой, второй и третей трехфазным вторичным обмоткам многообмоточного трансформатора, катодная группа первого диодного трехфазного мостового выпрямителя через плюсовой вывод емкостного фильтра подключена к плюсовому входу четырехуровневого инвертора напряжения, а анодная группа третьего диодного трехфазного мостового выпрямителя через минусовой вывод емкостного фильтра подключена к минусовому входу четырехуровневого инвертора напряжения, выход которого подключен к двигателю переменного тока. Указанное устройство может быть использовано для электропривода ответственных механизмов (см. статью В.И. Воронков, С.Е. Степанов, В.Г. Титов и др. Векторное управление возбуждением синхронных двигателей газоперекачивающих агрегатов // Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 2, с. 204-205.).
Недостатком данного устройства является его низкая надежность из-за возможности возникновения сбоев в работе электропривода, приводящих его к внеплановой остановке. Это вызвано высокой чувствительностью высоковольтного преобразователя частоты к кратковременному нарушению его электроснабжения, что не обеспечивает бесперебойную работу электропривода ответственных механизмов.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышении надежности высоковольтного преобразователя частоты, в обеспечении бесперебойной работы электропривода ответственных механизмов.
Технический результат, создаваемый полезной моделью, заключается в выравнивании токов в последовательно-параллельных соединениях выпрямителей, что позволяет в рабочем режиме обеспечить их одинаковую загрузку по току, а при кратковременном аварийном нарушении электроснабжения сохранить работоспособность высоковольтного преобразователя частоты.
Поставленная задача достигается тем, что высоковольтный преобразователь частоты для электропривода ответственных механизмов, содержащий многообмоточный трансформатор, трехфазная первичная обмотка которого соединена в треугольник, а первая, вторая и третья трехфазные вторичные обмотки соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20, 0 и -20 градусов, первый, второй и третий диодные трехфазные мостовые выпрямители, соединенные по постоянному току последовательно, образуя восемнадцатипульсную схему выпрямления, при этом по переменному току указанные выпрямители подключены соответственно к первой, второй и третей трехфазным вторичным обмоткам многообмоточного трансформатора, катодная группа первого диодного трехфазного мостового выпрямителя через плюсовой вывод емкостного фильтра подключена к плюсовому входу четырехуровневого инвертора напряжения, а анодная группа третьего диодного трехфазного мостового выпрямителя через минусовой вывод емкостного фильтра подключена к минусовому входу четырехуровневого инвертора напряжения, выход которого подключен к двигателю переменного тока, согласно изменению, снабжен вторым многообмоточным трансформатором, четвертым, пятым, шестым диодными и седьмым тиристорным трехфазными мостовыми выпрямителями, блоком управления, первым и вторым датчиками тока, при этом трехфазная первичная обмотка второго многообмоточного трансформатора соединена в треугольник, а первая, вторая, третья и четвертая трехфазные вторичные обмотки соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20, 0, -20 и 0 градусов, четвертый, пятый, шестой диодные и седьмой тиристорный трехфазные мостовые выпрямителя соединены по постоянному току последовательно, образуя вторую восемнадцатипульсную схему выпрямления, а по переменному току указанные выпрямители подключены соответственно к первой, второй, третей и четвертой трехфазным вторичным обмоткам второго многообмоточного трансформатора, при этом катодная группа четвертого диодного трехфазного мостового выпрямителя подключена к катодной группе первого диодного трехфазного мостового выпрямителя, а анодная группа седьмого тиристорного трехфазного мостового выпрямителя подключена к анодной группе третьего диодного трехфазного мостового выпрямителя, при этом первичная обмотка первого многообмоточного трансформатора через первый датчик тока подключена к основному источнику электропитания, а первичная обмотка второго многообмоточного трансформатора через второй датчик тока - к резервному источнику электропитания, информационные выходы датчиков тока подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, третий и четвертый входы последнего подключены соответственно к основному и резервному вводам электропитания, а выход блока управления подключен к входу управления седьмого тиристорного трехфазного мостового выпрямителя.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема высоковольтного преобразователя частоты.
Заявляемое устройство содержит многообмоточный трансформатор 1, трехфазная первичная обмотка которого соединена в треугольник, а первая, вторая и третья трехфазные вторичные обмотки соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20, 0 и -20 градусов. Устройство также содержит первый 2, второй 3 и третий 4 диодные трехфазные мостовые выпрямители, которые соединены по постоянному току последовательно, образуя восемнадцатипульсную схему выпрямления. По переменному току выпрямители 2, 3 и 4 подключены соответственно к первой, второй и третей трехфазным вторичным обмоткам многообмоточного трансформатора 1. Катодная группа первого 2 диодного трехфазного мостового выпрямителя через плюсовой вывод емкостного фильтра 5 подключена к плюсовому входу четырехуровневого инвертора напряжения 6. Анодная группа третьего 4 диодного трехфазного мостового выпрямителя через минусовой вывод емкостного фильтра 5 подключена к минусовому входу четырехуровневого инвертора напряжения 6, выход которого подключен к двигателю переменного тока 7. При этом устройство снабжено вторым многообмоточным трансформатором 8, четвертым 9, пятым 10, шестым 11 диодными и седьмым 12 тиристорным трехфазными мостовыми выпрямителями, блоком управления 13, первым 14 и вторым 15 датчиками тока. При этом трехфазная первичная обмотка второго многообмоточного трансформатора 8 соединена в треугольник, а первая, вторая, третья и четвертая трехфазные вторичные обмотки соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20, 0, -20 и 0 градусов. Четвертый 9, пятый 10, шестой 11 диодные и седьмой 12 тиристорный трехфазные мостовые выпрямителя соединены по постоянному току последовательно, образуя вторую восемнадцатипульсную схему выпрямления, а по переменному току указанные выпрямители подключены соответственно к первой, второй, третей и четвертой трехфазным вторичным обмоткам второго многообмоточного трансформатора 8. При этом катодная группа четвертого 9 диодного трехфазного мостового выпрямителя подключена к катодной группе первого 2 диодного трехфазного мостового выпрямителя, а анодная группа седьмого 12 тиристорного трехфазного мостового выпрямителя подключена к анодной группе третьего 4 диодного трехфазного мостового выпрямителя. Первичная обмотка первого многообмоточного трансформатора 1 через первый 14 датчик тока подключена к основному 16 источнику электропитания, а первичная обмотка второго 8 многообмоточного трансформатора через второй 15 датчик тока - к резервному источнику электропитания 17. Информационные выходы датчиков тока 14 и 15 подключены соответственно к первому и второму входам блока управления 13, третий и четвертый входы последнего подключены соответственно к основному 16 и резервному 17 вводам электропитания, а выход блока управления 13 подключен к входу управления седьмого 12 тиристорного трехфазного мостового выпрямителя.
НОМ
НОМ
ном
При этом параметры первой, второй и третьей трехфазных вторичных обмоток второго многообмоточного трансформатора 8 эквивалентны соответствующим параметрам первой, второй и третьей трехфазных вторичных обмоток первого многообмоточного трансформатора 1. Номинальные напряжения всех шести вторичных обмоток указанных трансформаторов 1 и 8 равны. Номинальное напряжение четвертой трехфазной вторичной обмотки второго многообмоточного трансформатора 8 равно 0,3 номинального напряжения второй вторичной обмотки второго многообмоточного трансформатора 8. Седьмой 12 тиристорный трехфазный мостовой выпрямитель формирует на своем выходе средневыпрямленное напряжение в диапазоне от -0,1U до+0,1U, где U - номинальное напряжение емкостного фильтра 5.
Отличительной особенностью заявляемого технического решения является то, что в рабочем режиме при допустимом изменении напряжения на любом из вводов электропитания 16 или 17 двигатель переменного тока 7 получает питание от двух параллельно соединенных восемнадцатипульсных выпрямителей 2-4 и 9-12. При этом токи указанных выпрямителей, благодаря применению тиристорного трехфазного мостового выпрямителя 12, выравниваются и составляют половину значения входного тока четырехуровневого инвертора напряжения 6, что снижает ресурсоемкость выпрямителей. Равномерная загрузка выпрямителей 2-4 и 9-12 повышает надежность заявляемого устройства. Восемнадцатипульсные схемы выпрямления 2-4 и 9-12 снижают уровни гармоник входных токов трансформатора 1 и 8, что уменьшает их нагрев и повышает надежность заявляемого устройства. Кроме того, в аварийном режиме при кратковременном нарушении электроснабжения по одному из вводов электропитания 16 или 17 заявляемое техническое решение позволяет сохранить работоспособность высоковольтного преобразователя частоты, обеспечивая его питанием от другого ввода электропитания. Вышесказанное обеспечивает бесперебойную работу электропривода ответственных механизмов.
Высоковольтный преобразователь частоты работает следующим образом.
При наличии напряжений на обоих вводах электропитания 16 и 17 на первичные обмотки многообмоточных трансформаторов 1 и 8 подаются напряжения питания. С трех вторичных обмоток многообмоточного трансформатора 1 напряжения подаются на первый 2, второй 3 и третий 4 диодные трехфазные мостовые выпрямители. Указанные выпрямителя 2, 3 и 4 образуют первую восемнадцатипульсную схему выпрямления 2-4, которая формирует первую средневыпрямленную ЭДС, подаваемую через емкостной фильтр 5 на четырехуровневый инвертор напряжения 6. Аналогично с четырех вторичных обмоток второго многообмоточного трансформатора 8 напряжения подаются на четвертый 9, пятый 10, шестой 11 диодные и седьмой 12 тиристорный трехфазные мостовые выпрямители. Указанные выпрямителя 9, 10, 11 и 12 образуют вторую восемнадцатипульсную схему выпрямления 9-12, которая формирует вторую средневыпрямленную ЭДС, подаваемую через емкостной фильтр 5 на четырехуровневый инвертор напряжения 6. Регулирование средневыпрямленной ЭДС седьмого 12 тиристорного трехфазного мостового выпрямителя позволяет обеспечить равенство первой и второй средневыпрямленных ЭДС обеих восемнадцатипульсных схем выпрямления 2-4 и 9-12. При этом токи выпрямителей выравниваются и составляют половину номинального значения входного тока четырехуровневого инвертора напряжения 6, что снижает ресурсоемкость выпрямителей.
При незначительном снижении напряжения основного ввода электропитания 16 происходит уменьшение первой средневыпрямленной ЭДС и уменьшение тока основного ввода электропитания 16. Для рассматриваемого случая, при неизменном значении напряжения резервного ввода электропитания 17, сохраняется неизменное значение второй средневыпрямленной ЭДС, и одновременно происходит увеличение тока резервного ввода электропитания 17. Пропорционально разнице сигналов с датчиков тока 14 и 15 на выходе блока управления 13 формируется сигнал управления тиристорным трехфазным мостовым выпрямителем 12. Указанный выпрямитель 12 снижает свою средневыпрямленную ЭДС так, чтобы обеспечить равенство первой и второй средневыпрямленных ЭДС, при этом токи выпрямителей 2-4 и 9-12 выравниваются и составляют половину значения входного тока инвертора 6.
В случае незначительного увеличения напряжения основного ввода электропитания 16 происходит пропорциональное увеличение средневыпрямленной ЭДС тиристорного трехфазного мостового выпрямителя 12. При этом обеспечивается равенство первой и второй средневыпрямленных ЭДС и равенство токов выпрямителей 2-4 и 9-12.
При незначительном снижении или увеличении напряжения резервного ввода электропитания 17 регулирование средневыпрямленной ЭДС тиристорного трехфазного мостового выпрямителя 12 аналогично обеспечивает выравнивание средневыпрямленных ЭДС и токов выпрямителей 2-4 и 9-12.
Таким образом, в условиях нормального электроснабжения при незначительных отклонениях напряжений на вводах электропитания 16 или 17 седьмой тиристорный трехфазный мостовой выпрямитель 12 обеспечивает выравнивание средневыпрямленных ЭДС обоих восемнадцатипульсных выпрямителей 2-4 и 9-12 и равенство токов по вводам электропитания 16 и 17. При этом токи указанных выпрямителей выравниваются и составляют половину значения входного тока инвертора 6, что снижает ресурсоемкость выпрямителей 2-4 и 9-12. Равномерная загрузка указанных выпрямителей повышает надежность заявляемого устройства.
В случае кратковременного снижения напряжения основного ввода электропитания 16 до заданной минимальной величины, менее 0,90 его номинального значения, блок управления 13 переводит седьмой тиристорный трехфазный мостовой выпрямитель 12 в первый аварийный режим. При этом средневыпрямленная ЭДС тиристорного выпрямителя 12 устанавливается максимальной. Вторая средневыпрямленная ЭДС станет больше, чем первая средневыпрямленная ЭДС, это вызовет запирание вентилей первого 2, второго 3 и третьего 4 диодных трехфазных мостовых выпрямителей. Произойдет мгновенный переход на питание четырехуровнего инвертора напряжения 6 только от резервного ввода электропитания 17. Таким образом, в течение всего времени нарушения электроснабжения по основному вводу электропитания 16 четырехуровневый инвертор напряжения 6 получает электропитание от резервного ввода 17, обеспечивая устойчивую работу двигателя переменного тока 7.
В случае кратковременного снижения напряжения резервного ввода электропитания 17 до заданной минимальной величины, менее 0,90 его номинального значения, работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Блок управления 13 переводит седьмой тиристорный трехфазный мостовой выпрямитель 12 во второй аварийный режим. При этом средневыпрямленная ЭДС тиристорного выпрямителя 12 устанавливается минимальной. Первая средневыпрямленная ЭДС станет больше, чем вторая средневыпрямленная ЭДС, это вызовет запирание вентилей четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 диодных трехфазных мостовых выпрямителей. Произойдет мгновенный переход на питание четырехуровнего инвертора напряжения 6 только от основного ввода электропитания 16. Таким образом, в течение всего времени нарушения электроснабжения по резервному вводу электропитания 17 четырехуровневый инвертор напряжения 6 получает электропитание от основного ввода электропитания 16, обеспечивая устойчивую работу двигателя переменного тока 7.
После восстановления нормального электроснабжения блок управления 13 восстанавливает рабочий режим управления седьмым тиристорным трехфазным мостовым выпрямителем 12. Питание инвертора напряжения 6 осуществляется одновременно от основного 16 и резервного 17 вводов электропитания, при этом токи выпрямителей выравниваются.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет повысить надежность высоковольтного преобразователя частоты и тем самым обеспечить бесперебойную работу электропривода ответственных механизмов, как в рабочем, так и аварийном режимах за счет выравнивания токов выпрямителей и равномерной их загрузке.