ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

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.
Известен преобразователь частоты, содержащий систему управления, трехфазный выпрямительный мост, к отрицательному полюсу которого подключены отрицательные полюса автономного инвертора напряжения, тормозной цепочки и накопительного конденсатора, дополнительно преобразователь частоты снабжен контактором с тремя контактами, один вывод каждого из которых соединен с катодом одного из трех верхних диодов выпрямительного моста, второй вывод всех контактов объединен в узел и соединен с положительным полюсом автономного инвертора напряжения, тормозной цепочки, накопительного конденсатора и одним выводом зарядного резистора, второй вывод которого соединен с катодами трех диодов, аноды которых подключены к фазам питающей сети (см. патент РФ №2488937, H02M 5/00).
Недостатком известного устройства является его низкая надежность в связи с коммутацией в силовом выпрямительном мосте трехполюсного контактора, обеспечивающего процесс предварительного заряда накопительного конденсатора. Кроме того известное устройство, при питании от него асинхронных и синхронных электродвигателей большой мощности с силовым трансформатором на входе, не обеспечивает защиту ненагруженного трансформатора при его включении от бросков фазных токов в первичных обмотках трансформатора. Броски тока могут превышать номинальный ток трансформатора в 2-3 раза, что приводит к значительным электродинамическим усилиям в обмотках трансформатора и коммутационным перенапряжениям это нарушает работоспособность трансформатора и снижает надежность известного устройства.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями, содержащий первый и второй фазосдвигающие трансформаторы соответственно на 0 и +30 градусов, первичная обмотка первого фазосдвигающего трансформатора имеет шесть выводов и соединена последовательно с первичной обмоткой второго фазосдвигающего трансформатора, которая соединена в звезду, при этом начало первичной обмотки первого фазосдвигающего трансформатора подключено через высоковольтный контактор к высоковольтному источнику питания, вторичные обмотки указанных фазосдвигающих трансформаторов соединены в звезду и треугольник и подключены соответственно к первому и второму преобразователям частоты, каждый из которых состоит из трехуровневого активного выпрямителя, трехуровневого инвертора напряжения и дросселя, при этом одноименные выходные зажимы фаз указанных преобразователей частоты соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока, входы звена постоянного тока с нулевой точкой, являющегося общим для обоих преобразователей частоты подключены к выходам обоих активных выпрямителей, а его выходы - к входам обоих инверторов напряжения. 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 ИГ-ЭУ. Вып. 1 / 2013. С. 80-83.).
Недостатком известного устройства является его низкая надежность, обусловленная наличием бросков фазных токов в первичных обмотках ненагруженных фазосдвигающих трансформаторов при их подключении к источнику питания. Броски тока могут превышать номинальный ток трансформаторов в 2-4 раза, что приводит к значительным электродинамическим усилиям в обмотках и коммутационным перенапряжениям на них. Это нарушает работоспособность трансформаторов и снижает надежность известного устройства. Кроме того надежность известного устройства снижается в результате процессов коммутации силовых контакторов, рассчитанных на полный ток нагрузки и обеспечивающие процесс предварительного заряда конденсаторов звена постоянного тока.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышении надежности высоковольтного преобразователя частоты большой мощности путем устранения электродинамических усилий в обмотках трансформаторов, устранения коммутационных перенапряжений на этих обмотках, а также устранения процессов коммутации токов нагрузки в силовых цепях заявляемого устройства.
Технический результат обеспечивается созданием условий плавного увеличения индукции в стержнях магнитопроводов фазосдвигающих трансформаторов от нуля до номинального значения, что предотвращает броски фазных токов первичных обмоток ненагруженных фазосдвигающих трансформаторов при их подключении к высоковольтному источнику питания в режиме холостого хода, а также условия плавного заряда конденсаторов звена постоянного тока.
Поставленная задача решается тем, что высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями, содержащий первый и второй фазосдвигающие трансформаторы соответственно на 0 и +30 градусов, первичная обмотка первого фазосдвигающего трансформатора имеет шесть выводов и соединена последовательно с первичной обмоткой второго фазосдвигающего трансформатора, которая соединена в звезду, при этом начало первичной обмотки первого фазосдвигающего трансформатора подключено через высоковольтный контактор к высоковольтному источнику питания, вторичные обмотки указанных фазосдвигающих трансформаторов соединены в звезду и треугольник и подключены соответственно к первому и второму преобразователям частоты, каждый из которых состоит из трехуровневого активного выпрямителя, трехуровневого инвертора напряжения и дросселя, при этом одноименные выходные зажимы фаз указанных преобразователей частоты соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока, входы звена постоянного тока с нулевой точкой, являющегося общим для обоих преобразователей частоты подключены к выходам обоих активных выпрямителей, а его выходы - к входам обоих инверторов напряжения, согласно изменению, снабжен устройством регулирования зарядного тока конденсаторов звена постоянного тока с нулевой точкой, состоящим из датчика напряжения звена постоянного тока, блока управления, низковольтного контактора, блока зарядных резисторов и третьего фазосдвигающего трансформатора с двумя вторичными обмотками, первая из которых соединена в звезду, а вторая - в треугольник, образуя соответственно сдвиг на 0 и +30 градусов, при этом зажимы первой вторичной обмотки третьего фазосдвигающего трансформатора подключены к одноименным зажимам вторичной обмотки первого фазосдвигающего трансформатора, а зажимы второй вторичной обмотки третьего фазосдвигающего трансформатора подключены к одноименным зажимам вторичной обмотки второго фазосдвигающего трансформатора, первичная обмотка третьего фазосдвигающего трансформатора соединена в звезду и через последовательно соединенный блок зарядных резисторов и низковольтный контактор подключена к низковольтному источнику питания, вход блока управления соединен с выходом датчика напряжения звена постоянного тока, входы которого подключены к входам звена постоянного тока с нулевой точкой, первый и второй выходы блока управления подключены соответственно к управляющим входам высоковольтного и низковольтного контакторов, а третий выход блока управления подключен к управляющему входу блока зарядных резисторов.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема высоковольтного преобразователя частоты большой мощности с активными выпрямителями.
Заявляемое устройство содержит первый 1 и второй 2 фазосдвигающие трансформаторы соответственно на 0 и +30 градусов. Первичная обмотка первого фазосдвигающего трансформатора 1 имеет шесть выводов и соединена последовательно с первичной обмоткой второго фазосдвигающего трансформатора 2, которая соединена в звезду, причем начало первичной обмотки первого фазосдвигающего трансформатора 1 подключено через высоковольтный контактор 3 к высоковольтному источнику питания 4. Вторичные обмотки указанных фазосдвигающих трансформаторов 1 и 2 соединены в звезду и треугольник и подключены соответственно к первому 5 и второму 6 преобразователям частоты. Каждый из преобразователей частоты 5 и 6 состоит из трехуровневого активного выпрямителя 7, трехуровневого инвертора напряжения 8 и дросселя 9. При этом одноименные выходные зажимы фаз указанных преобразователей частоты 5, 6 соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока 10. Заявляемое устройство также содержит звено постоянного тока 11 с нулевой точкой, которое является общим для обоих преобразователей частоты 5 и 6. Входы звена постоянного тока 11 с нулевой точкой подключены к выходам обоих активных выпрямителей 7, а его выходы - к входам обоих инверторов напряжения 8. Высоковольтный преобразователь частоты дополнительно снабжен устройством регулирования зарядного тока конденсаторов 12 звена постоянного тока, которое содержит датчик напряжения звена постоянного тока 13, блок управления 14, низковольтный контактор 15, блок зарядных резисторов 16 и третий фазосдвигающий трансформатор 17 с двумя вторичными обмотками. Первая вторичная обмотка указанного трансформатора 17 соединена в звезду, а вторая - в треугольник, образуя соответственно сдвиг на 0 и +30 градусов. При этом зажимы первой вторичной обмотки третьего фазосдвигающего трансформатора 17 подключены к одноименным зажимам вторичной обмотки первого фазосдвигающего трансформатора 1. Зажимы второй вторичной обмотки третьего фазосдвигающего трансформатора 17 подключены к одноименным зажимам вторичной обмотки второго фазосдвигающего трансформатора 2. Первичная обмотка третьего фазосдвигающего трансформатора 17 соединена в звезду и через последовательно соединенный блок зарядных резисторов 16 и низковольтный контактор 15 подключена к низковольтному источнику питания 18. Вход блока управления 14 соединен с выходом датчика напряжения звена постоянного тока 13, входы которого подключены к входам звена постоянного тока 11 с нулевой точкой. Первый и второй выходы блока управления 14 подключены к управляющим входам соответственно высоковольтного 3 и низковольтного 15 контакторов, а третий выход блока управления 14 подключен к управляющему входу блока зарядных резисторов 16.
Схемотехническое исполнение трехуровневых активных выпрямителей 7 и трехуровневых инверторов напряжения 8 идентичное. Они выполнены на полностью управляемых IGCT тиристорах, что позволяет обеспечить работу электропривода, как в двигательном, так и в генераторном режимах. Линейные напряжения вторичных обмоток первого 1, второго 2 и третьего 17 фазосдвигающих трансформаторов равны между собой. Мощность третьего фазосдвигающего трансформатора 17 мала. Указанный трансформатор 17, не нарушая силовую схему высоковольтного преобразователя частоты, предназначен для осуществления предварительного заряда конденсаторов звена постоянного тока до заданного значения ограниченным зарядным током, и одновременно для плавного создания рабочей индукции в стержнях магнитопроводов первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов. Это обеспечивает подготовку указанных трансформаторов 1 и 2, а также конденсаторов звена постоянного тока к подключению на высоковольтный источник питания 4.
Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями работает следующим образом.
В исходном состоянии высоковольтный 3 и низковольтный 15 контакторы заявляемого высоковольтного преобразователя частоты разомкнуты, напряжение на конденсаторах звена постоянного тока 11 равно нулю, остаточная индукция в стержнях магнитопроводов первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов равна нулю.
По команде «подготовка к работе преобразователя частоты» блок управления 14 формирует управляющий сигнал для блока зарядных резисторов 16, который устанавливает максимальное сопротивление в цепи первичной обмотки третьего фазосдвигающего трансформатора 17. Одновременно на втором выходе блока управления 14 формируется управляющий сигнал на замыкание низковольтного контактора 15. После замыкания последнего напряжение низковольтного источника питания 18 делится между зарядными резисторами блока 16 и первичной обмоткой третьего фазосдвигающего трансформатора 17 так, что напряжение на его первичных и вторичных обмотках не превышает пяти процентов номинального значения, в результате чего, трансформатор 17 не насыщается. Сниженное в двадцать раз напряжение вторичных обмоток третьего фазосдвигающего трансформатора 17 подается на входы трехуровневых активных выпрямителей 7 и на зажимы вторичных обмоток первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов.
Под действием сниженного напряжения происходит переходный процесс изменения индукции в стержнях магнитопроводов первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов. Эта индукция не достигает участка насыщения кривой намагничивания стали, из которой изготовлены магнитопроводы трансформаторов 1 и 2. При этом броски тока по фазам вторичных обмоток фазосдвигающих трансформаторов 1 и 2 отсутствуют. Для рассматриваемого режима работы высоковольтный контактор 3 разомкнут, поэтому токи в первичных обмотках фазосдвигающих трансформаторов 1 и 2 отсутствуют, а наведенные электродвижущие силы на первичных обмотках указанных трансформаторов 1 и 2 не превышают пяти процентов номинального значения.
Одновременно под действием сниженного напряжения вторичных обмоток третьего фазосдвигающего трансформатора 17 через диоды трехуровневых активных выпрямителей 7 осуществляется процесс заряда конденсаторов звена постоянного тока 11 с нулевой точкой. Амплитудное значение зарядного тока конденсаторов ограничивается выбранным значением сопротивления блока зарядных резисторов 16. Переходной процесс заряда конденсаторов звена постоянного тока 11 контролирует датчик напряжения звена постоянного тока 13, который передает текущее значение напряжения конденсаторов на вход блока управления 14.
При этом переходные процессы, связанные с зарядом конденсаторов звена постоянного тока 11 более длительные, чем переходные процессы, связанные с изменением индукции в стержнях фазосдвигающих трансформаторов 1 и 2, в связи, с чем процесс подготовки преобразователя частоты к работе контролируется по переходному процессу заряда конденсаторов.
При достижении определенного значения напряжения на конденсаторах звена постоянного тока 11 блок управления 14 уменьшает значения сопротивления зарядных резисторов блока 16. Напряжение на вторичных обмотках третьего фазосдвигающего трансформатора 17 незначительно увеличивается. При этом индукция в стержнях магнитопроводов первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов также увеличивается, не достигая участка насыщения кривой намагничивания стали. Наведенные электродвижущие силы на первичных обмотках указанных трансформаторов 1 и 2 также незначительно увеличиваются. Переходной процесс заряда конденсаторов звена постоянного тока 11 продолжается, при этом зарядный ток конденсатора не превышает максимального значения.
Описанный процесс плавно продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторах указанного звена постоянного тока 11 не достигнет заданного значения.
Одновременно с зарядом конденсаторов звена постоянного тока 11 осуществляется подготовка к подключению первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов к высоковольтному источнику питания 4 без бросков фазных токов. В процессе уменьшения значений сопротивлений блока 16 напряжение на вторичных обмотках третьего фазосдвигающего трансформатора 17 плавно увеличивается от минимального значения до номинального значения. Ранее отмечалось, что вторичные обмотки одинаковых групп соединений «звезда/звезда» и «звезда/треугольник» третьего 17, первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов соединены между собой, а их линейные напряжения равны друг другу. Поэтому при достижении номинального значения напряжения на вторичных обмотках первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов наведенные электродвижущие силы на первичных обмотках указанных трансформаторов 1 и 2 также равны номинальным значениям. Так как первичные обмотки первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов соединены последовательно, то сумма наведенных электродвижущих сил на их первичных обмотках будет практически равна номинальному значению напряжения высоковольтного источника питания 4.
После того как напряжение на конденсаторах звена постоянного тока 11 достигнет заданного значения на первом и втором выходах блока управления 14 формируются два сигнала первый на замыкание высоковольтного контактора 3, а второй с кратковременной задержкой на размыкание низковольтного контактора 15. Кратковременная задержка позволяет обеспечить поддержание индукции в стержнях магнитопроводов первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов на текущем уровне при переключении с низковольтного источника питания 18 на высоковольтный источник питания 4, которые имеют одинаковую фазу напряжений в момент переключения. Как было отмечено ранее сумма наведенных электродвижущих сил на первичных обмотках первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов практически равна номинальному значению напряжения высоковольтного источника питания 4, при этом фазы напряжений одинаковы. Поэтому после замыкания высоковольтного контактора 3 по первичным обмоткам первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов будут протекать очень малые установившиеся значения фазных токов без переходных процессов. Это предотвратит возникновение бросков фазных токов в первичных обмотках первого 1 и второго 2 фазосдвигающих трансформаторов и, следовательно, будут отсутствовать электродинамические усилия в обмотках трансформаторов и коммутационные перенапряжения в них. Это повысит надежность заявляемого устройства.
Таким образом, процесс подготовки к работе высоковольтного преобразователя частоты завершен, то есть конденсаторы звена постоянного тока 11 заряжены до заданного значения напряжения допустимым значением зарядного тока, а первый 1 и второй 2 фазосдвигающие трансформаторы без наличия бросков фазных токов в первичных обмотках подключены к высоковольтному источнику питания 4. Алгоритм дальнейшей работы заявляемого высоковольтного преобразователя частоты большой мощности с активными выпрямителями 7 будет определяться в соответствии с задачей, возложенной на него, например, для питания современных электроприводов прокатных станов мощностью от 0,5 до 15 МВт, выполненных на базе мощных асинхронных и синхронных электродвигателей напряжением 6,3 или 10 кВ.
Таким образом, заявляемое устройство, позволяет повысить надежность высоковольтного преобразователя частоты большой мощности, благодаря плавному увеличению индукции в стержнях магнитопроводов фазосдвигающих трансформаторов от нуля до номинального значения. Это предотвращает броски фазных токов первичных обмоток ненагруженных фазосдвигающих трансформаторов при их подключении к высоковольтному источнику питания в режиме холостого хода. При этом устраняются электродинамические усилия в обмотках фазосдвигающих трансформаторов и коммутационным перенапряжениям в них. Кроме того, заявляемое устройство обеспечивает плавный заряд конденсаторов звена постоянного тока до заданного значения ограниченным зарядным током без процессов коммутации в силовой цепи преобразователя, что также повышает его надежность.