ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
HIGH-VOLTAGE CONTROLLED ELECTRIC AC DRIVE

Изобретение относится к области электротехники и силовой промышленной электроники, а именно к мощным высоковольтным частотно-регулируемым электроприводам переменного тока, работающим в широком диапазоне регулирования скорости и момента с высокими значениями КПД и коэффициента мощности, в различных областях (энергетика, горнодобывающая и нефтеперерабатывающая промышленности, жилищно-коммунальное хозяйство и т.д.) - везде, где требуется экономия электроэнергии, а также сохранение ресурса электродвигателя и максимальное снижение влияния на питающую сеть при пусках электродвигателя.
Известен высоковольтный частотно-регулируемый электропривод (Патент РФ №2282299 ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД от 09.03.2004, МПК 8 Н02Р 1/52, Новосибирский государственный технический университет).
Частотно-регулируемый электропривод состоит из силового трансформатора с N трехфазными вторичными обмотками, группы из N трехфазных выпрямительно-инверторных преобразователей частоты и приводного электродвигателя, в котором обмотка выполнена из N идентичных последовательных катушечных групп, причем эти катушечные группы объединены в N идентичных трехфазных систем и затем эти N трехфазные системы подключены к N трехфазным выпрямительно-инверторным преобразователям частоты, которые, в свою очередь, подключены к соответствующим N трехфазным вторичным обмоткам силового трансформатора с коэффициентом трансформации, равным N.
Известен также высоковольтный частотно-регулируемый электропривод (Патент РФ №2293432 ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД от 27.07.2005, МПК 8 Н02Р 25/22, Н02Р 27/06, Новосибирский государственный технический университет).
Частотно-регулируемый электропривод содержит входной силовой выпрямитель с параллельно подключенными к нему емкостным фильтром, N трехфазных систем фазных обмоток приводного электродвигателя, N последовательно соединенных трехфазных частотно-регулируемых инверторов, каждый частотно-регулируемый инвертор снабжен параллельно к нему подключенными, дополнительными, также параллельно соединенными между собой конденсаторными фильтрами, резисторами и стабилитронами, а каждый частотно-регулируемый инвертор своими трехфазными выходами подключен к приводному электродвигателю, выполненному соответственно из N трехфазных обмоток.
Главным недостатком обоих частотно-регулируемых электроприводов является следующее.
Для данных электроприводов необходимо применение специальных образцов (новых опытных образцов) низковольтных двигателей, не рассчитанных на питание от сетей 3~50 Гц, 3, 6 или 10 кВ) и имеющих специальное конструктивное исполнение, или использование серийно выпускаемых мощных высоковольтных двигателей с многополюсными обмотками, в которых возможно выполнить доработку по их расщеплению (то есть невозможность применения для создания высокоэффективных регулируемых электроприводов серийно выпускаемых и широко распространенных высоковольтных асинхронных и синхронных двигателей большой мощности).
Кроме того, низковольтные двигатели большой мощности потребляют значительные токи, что приводит к резкому увеличению потерь электроэнергии в питающих кабелях и необходимости обеспечения в процессе эксплуатации надежных контактных соединений в силовых цепях электропривода.
Помимо этого, в высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах отсутствует возможность контроля напряжения питающей сети и идентичности линейных напряжений на обмотках электродвигателя, а также не обеспечивается управление электродвигателя с переменной скоростью вращения с высокой точностью.
Наиболее близким по исполнению аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является высоковольтный частотно-регулируемый электропривод переменного тока на базе преобразователя Sinamics GM/SM 150 фирмы «Сименс» (см. Патент WO/2007/022414 SYSTEM AND METHOD FOR LIMITING AC INRUSH CURRENT от 22.02.2007, Int. Class.: H02H 9/00 (2006.01), H02P 1/26 (2006.01) Applicants: SIEMENS ENERGY & AUTOMATION, INC. [US/US]). В высоковольтном частотно-регулируемом электроприводе переменного тока содержится входной многообмоточный трансформатор, служащий для преобразования высокого входного напряжения в пониженное выходное, затем это пониженное напряжение с помощью неуправляемых трехфазных выпрямителей выпрямляется и с помощью управляемых однофазных мостовых инверторов преобразуется в низкое напряжение переменного тока. Так как инверторы включаются последовательно, их низковольтные напряжения суммируется в высоковольтное трехфазное регулируемое напряжение, и подаются на высоковольтный электродвигатель частотно-регулируемого электропривода переменного тока.
Недостатками электропривода по прототипу является следующее.
В высоковольтном частотно-регулируемом электроприводе переменного тока отсутствует контроль сопротивления изоляции высоковольтных цепей и температуры силовых элементов электропривода, не предусмотрена защита электродвигателя от токов перегрузки и токов коротких замыканий, отсутствует возможность дистанционного контроля работы электропривода и точного поддержания заданных технологических процессов, требующих переменной скорости вращения электродвигателя.
Задачами изобретения является:
- контроль напряжения питающей сети (перенапряжение, провал/просадка напряжения);
- осуществление мониторинга текущего состояния значения сопротивления изоляции высоковольтных цепей силовых элементов электропривода;
- осуществление мониторинга текущего состояния значений температуры силовых элементов электропривода;
- контроль идентичности (отсутствие перекоса) линейных напряжений на обмотках электродвигателя;
- контроль асимметрии фазных токов электродвигателя (контроль обрыва одной фазы питания электродвигателя);
- защита электродвигателя от токов перегрузки и токов коротких замыканий;
- обеспечение плавного пуска и повышенного стартового момента электродвигателя;
- управление скоростью электродвигателя с высокой точностью;
- обеспечение возможности дистанционного контроля за работой электропривода;
- обеспечение возможности точного поддержания заданных технологических процессов, требующих переменной скорости вращения электродвигателя (например, расход и давление воздуха, обеспечиваемое вентилятором и т.д.);
- обеспечение бесперебойности питания автоматизированной системы управления электроприводом;
- повышение надежности и эффективности эксплуатации электропривода.
Поставленные задачи решаются тем, что в высоковольтный регулируемый электропривод переменного тока, состоящий из электродвигателя, входного многообмоточного трансформатора, подключенного первичной обмоткой к высоковольтной сети питания, первая вторичная обмотка входного многообмоточного трансформатора подключена к силовому входу первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, содержащей последовательно соединенные неуправляемый трехфазный выпрямитель, емкостный фильтр и однофазный инвертор, вход неуправляемого трехфазного выпрямителя является силовым входом низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор», однофазный инвертор включает параллельно соединенные первый и последовательно включенный с ним второй силовой ключ с обратным диодом, третий и последовательно включенный с ним четвертый силовой ключ с обратным диодом, общая точка между первым и вторым силовым ключом с обратным диодом является первым силовым выходом первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, общая точка между третьим и четвертым силовым ключом с обратным диодом является вторым силовым выходом первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, базовый вывод второго и третьего силового ключа с обратным диодом объединены между собой и образуют первый управляющий вход низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор», базовый вывод первого и четвертого силового ключа с обратным диодом объединены между собой и образуют второй управляющий вход низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор»; первая низковольтная силовая ячейка «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя, первая низковольтная силовая ячейка «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, вторая низковольтная силовая ячейка «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, вторая низковольтная силовая ячейка «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя, вторая низковольтная силовая ячейка «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, …, n-я низковольтная силовая ячейка «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, n-я низковольтная силовая ячейка «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя и n-я низковольтная силовая ячейка «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя имеют состав, внутреннее соединение элементов и внешние входы-выходы, идентичные первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя,
вторая, третья, четвертая, пятая, шестая, …, первая n-я, вторая n-я и третья n-я вторичная обмотка входного многообмоточного трансформатора подключена соответственно к силовому входу первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя, к силовому входу первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, к силовому входу второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, к силовому входу второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя, к силовому входу второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, …, к силовому входу n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, к силовому входу n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя и к силовому входу n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя,
первый силовой выход первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя объединены между собой, второй силовой выход первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя соединен с первым силовым выходом второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, второй силовой выход второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя соединен с первым силовым выходом n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, второй силовой выход n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя соединен с первым входом электродвигателя, второй силовой выход первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя соединен с первым силовым выходом второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя, второй силовой выход второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя соединен с первым силовым выходом n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя, второй силовой выход n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя соединен со вторым входом электродвигателя, второй силовой выход первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя соединен с первым силовым выходом второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, второй силовой выход второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя соединен с первым силовым выходом n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, второй силовой выход n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя соединен с третьим входом электродвигателя,
введены блок управления, устройство контроля изоляции, контур заземления электропривода, блок датчиков температуры силовых элементов электропривода, внешняя система управления, первый, второй и третий датчик тока, первый и второй датчик напряжения, датчик скорости, низковольтная сеть питания, источник бесперебойного питания и блок питания,
первый, третий, пятый, седьмой, девятый, одиннадцатый, …, первый n-й, третий n-й и пятый n-й выходы блока управления подключены соответственно к первому управляющему входу первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя, второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, …, n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя и n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, второй, четвертый, шестой, восьмой, десятый, двенадцатый, …, второй n-й, четвертый n-й и шестой n-й выходы блока управления подключены соответственно ко второму управляющему входу первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя, второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, …, n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя и n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, к первому, второму, третьему, четвертому, пятому, шестому и десятому входу блока управления подключены соответственно устройство контроля изоляции, блок датчиков температуры силовых элементов электропривода, первый, второй и третий датчик тока, датчик скорости и второй датчик напряжения, к седьмому, восьмому и девятому входу блока управления подключены соответственно первый, второй и третий выход первого датчика напряжения, блок управления соединен с помощью шины информационного обмена с внешней системой управления, низковольтная сеть питания через последовательно соединенные источник бесперебойного питания и блок питания подключены к входу питания блока управления,
первый вход устройства контроля изоляции подключен к общей точке, объединяющей между собой первые силовые выходы первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя и первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя, второй вход устройства контроля изоляции подключен к контуру заземления электропривода,
первый, второй и третий датчик тока включены соответственно в разрыв между вторым силовым выходом n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя и первым входом электродвигателя, n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя и вторым входом электродвигателя и n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя и третьим входом электродвигателя,
первый, второй и третий вход первого датчика напряжения подключен соответственно к первому, второму и третьему входу электродвигателя,
вход второго датчика напряжения подключен к входу входного многообмоточного трансформатора,
датчик скорости механически соединен с ротором электродвигателя.
Кроме этого, в высоковольтном регулируемом электроприводе переменного тока использован блок управления, состоящий из микроконтроллера, коммутатора на базе программируемой логической матрицы, первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого, десятого, одиннадцатого, двенадцатого, …, первого n-го, второго n-го, третьего n-го, четвертого n-го, пятого n-го и шестого n-го блока драйверов силовых ключей, аналого-цифрового преобразователя, адаптера шины информационного обмена, часов реального времени, постоянного запоминающего устройства, оперативного запоминающего устройства, панели контроля и управления, блока ввода-вывода дискретных сигналов,
к первому входу-выходу микроконтроллера подключен адаптер шины информационного обмена, выход которого образует шину информационного обмена блока управления, ко второму - блок ввода-вывода дискретных сигналов, к первому, второму, третьему и четвертому входу микроконтроллера подключены соответственно часы реального времени, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство и аналого-цифровой преобразователь,
первый, второй, …, восьмой выход i-й группы выходов микроконтроллера подключен к i-й группе входов коммутатора на базе программируемой логической матрицы, первый, второй, …, восьмой выход j-й группы выходов микроконтроллера подключен к j-й группе входов коммутатора на базе программируемой логической матрицы,
первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый, …, первый n-й, второй n-й, третий n-й, четвертый n-й, пятый n-й и шестой n-й выходы коммутатора на базе программируемой логической матрицы подключены соответственно к входу первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого, десятого, одиннадцатого, двенадцатого, …, первого n-го, второго n-го, третьего n-го, четвертого n-го, пятого n-го и шестого n-го блока драйверов силовых ключей, выходы которых являются первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым, восьмым, девятым, десятым, одиннадцатым, двенадцатым, …, первым n-м, вторым n-м, третьим n-м, четвертым n-м, пятым n-м и шестым n-м выходами блока управления,
первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый вход аналого-цифрового преобразователя являются первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым, восьмым, девятым и десятым входом блока управления,
от входа питания блока управления электропитание разводится на микроконтроллер, коммутатор на базе программируемой логической матрицы, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый, …, первый n-й, второй n-й, третий n-й, четвертый n-й, пятый n-й и шестой n-й блок драйверов силовых ключей, аналого-цифровой преобразователь, адаптер шины информационного обмена, панель контроля и управления, блок ввода-вывода дискретных сигналов.
Сущность изобретения состоит в том, что в регулируемом электроприводе высоковольтное напряжение питания с помощью входного многообмоточного трансформатора понижается в «N»-фазное напряжение 578 В, которое подается на низковольтные силовые ячейки «выпрямитель-инвертор». Низковольтная силовая ячейка представляет собой неуправляемый трехфазный выпрямитель и управляемый однофазный мостовой инвертор на базе широко распространенных и относительно недорогих IGBT - транзисторных ключей. В зависимости от значения питающего напряжения 3, 6 или 10 кВ в каждой фазе электродвигателя находится 3, 6 или 9 последовательно соединенных низковольтных силовых ячеек «выпрямитель-инвертор». Входящая в состав электропривода универсальная автоматизированная система управления, созданная на базе блока управления с микроконтроллером и разнообразных датчиков, имеет широкие функциональные возможности и, реализуя многоуровневое широтно-импульсную управление однофазными мостовыми инверторами низковольтных силовых ячеек «выпрямитель-инвертор», обеспечивает работу серийно выпускаемых высоковольтных асинхронных и синхронных двигателей большой мощности и разных классов напряжения.
На фиг.1 представлена структурная схема высоковольтного регулируемого электропривода переменного тока.
На фиг.2 представлена структурная схема низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор».
На фиг.3 представлена структурная схема блока управления.
Согласно фиг.1 высоковольтный регулируемый электропривод переменного тока включает входной многообмоточный трансформатор 2, подключенный первичной обмоткой к высоковольтной сети питания 1, первую низковольтную силовую ячейку «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 3, первую низковольтную силовую ячейку «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 4, первую низковольтную силовую ячейку «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 5, вторую низковольтную силовую ячейку «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 6, вторую низковольтную силовую ячейку «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 7, вторую низковольтную силовую ячейку «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 8, …, n-ю низковольтную силовую ячейку «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 9, n-ю низковольтную силовую ячейку «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 10 и n-ю низковольтную силовую ячейку «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 11, электродвигатель 22, блок управления 12, устройство контроля изоляции 13, контур заземления электропривода 14, блок датчиков температуры силовых элементов электропривода 15, внешнюю систему управления 17, первый 18, второй 19 и третий 20 датчик тока, первый 21 и второй 24 датчик напряжения, датчик скорости 23, низковольтную сеть питания 27, источник бесперебойного питания 26 и блок питания 25,
первая вторичная обмотка входного многообмоточного трансформатора 2 подключена к силовому входу первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 3,
вторая, третья, четвертая, пятая, шестая, …, первая n-я, вторая n-я и третья n-я вторичная обмотка входного многообмоточного трансформатора 2 подключена соответственно к силовому входу первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 4, к силовому входу первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 5, к силовому входу второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 6, к силовому входу второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 7, к силовому входу второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 8, …, к силовому входу n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 9, к силовому входу n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 10 и к силовому входу n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 11,
первый силовой выход первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 3, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 4, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 5 объединены между собой, второй силовой выход первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 3 соединен с первым силовым выходом второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 6, второй силовой выход второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 6 соединен с первым силовым выходом n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 9, второй силовой выход n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 9 соединен с первым входом электродвигателя 22, второй силовой выход первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 4 соединен с первым силовым выходом второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 7, второй силовой выход второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 7 соединен с первым силовым выходом n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 10, второй силовой выход n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 10 соединен со вторым входом электродвигателя 22, второй силовой выход первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 5 соединен с первым силовым выходом второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 8, второй силовой выход второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 8 соединен с первым силовым выходом n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 11, второй силовой выход n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 11 соединен с третьим входом электродвигателя 22,
первый, третий, пятый, седьмой, девятый, одиннадцатый, …, первый n-й, третий n-й и пятый n-й выходы блока управления 12 подключены соответственно к первому управляющему входу первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 3, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 4, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 5, второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 6, второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 7, второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 8, …, n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 9, n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 10 и n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 11, второй, четвертый, шестой, восьмой, десятый, двенадцатый, …, второй n-й, четвертый n-й и шестой n-й выходы блока управления 12 подключены соответственно ко второму управляющему входу первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 3, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 4, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 5, второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 6, второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 7, второй низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 8, …, n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 9, n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 10 и n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 11, к первому, второму, третьему, четвертому, пятому, шестому и десятому входу блока управления 12 подключены соответственно устройство контроля изоляции 13, блок датчиков температуры силовых элементов электропривода 15, первый 18, второй 19 и третий 20 датчик тока, датчик скорости 23 и второй датчик напряжения 24, к седьмому, восьмому и девятому входу блока управления 12 подключены соответственно первый, второй и третий выход первого датчика напряжения 21, блок управления 12 соединен с помощью шины информационного обмена 16 с внешней системой управления 17, низковольтная сеть питания 27 через последовательно соединенные источник бесперебойного питания 26 и блок питания 25 подключены к входу питания блока управления 12,
первый вход устройства контроля изоляции 13 подключен к общей точке, объединяющей между собой первые силовые выходы первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 3, первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 4 и первой низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 5, второй вход устройства контроля изоляции 13 подключен к контуру заземления электропривода 14,
первый 18, второй 19 и третий 20 датчик тока включены соответственно в разрыв между вторым силовым выходом n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» первой фазы питания электродвигателя 9 и первым входом электродвигателя 22, n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» второй фазы питания электродвигателя 10 и вторым входом электродвигателя 22 и n-й низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» третьей фазы питания электродвигателя 11 и третьим входом электродвигателя 22,
первый, второй и третий вход первого датчика напряжения 21 подключен соответственно к первому, второму и третьему входу электродвигателя 22,
вход второго датчика напряжения 24 подключен к входу входного многообмоточного трансформатора 2,
датчик скорости 23 механически соединен с ротором электродвигателя 22.
Согласно фиг.2 низковольтная силовая ячейка «выпрямитель-инвертор» 3 (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11) (см. фиг.1) содержит последовательно соединенные неуправляемый трехфазный выпрямитель 28, емкостный фильтр 29 и однофазный инвертор, вход неуправляемого трехфазного выпрямителя является силовым входом низковольтной 13 силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» 3 (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11), однофазный инвертор включает параллельно соединенные первый 30 и последовательно включенный с ним второй 31 силовой ключ с обратным диодом, третий 32 и последовательно включенный с ним четвертый 33 силовой ключ с обратным диодом, общая точка между первым 30 и вторым 31 силовым ключом с обратным диодом является первым силовым выходом низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» 3 (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11), общая точка между третьим 32 и четвертым 33 силовым ключом с обратным диодом является вторым силовым выходом низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» 3 (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11), базовый вывод второго 31 и третьего 32 силового ключа с обратным диодом объединены между собой и образуют первый управляющий вход низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» 3 (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11), базовый вывод первого 30 и четвертого 33 силового ключа с обратным диодом объединены между собой и образуют второй управляющий вход низковольтной силовой ячейки «выпрямитель-инвертор» 3 (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11).
Согласно фиг.3 блок управления 12 (см. фиг.1) включает микроконтроллер 53, коммутатор на базе программируемой логической матрицы 52, первый 34, второй 35, третий 36, четвертый 37, пятый 38, шестой 39, седьмой 40, восьмой 41, девятый 42, десятый 43, одиннадцатый 44, двенадцатый 45, …, первый n-й 46, второй n-й 47, третий n-й 48, четвертый n-й 49, пятый n-й 50 и шестой n-й 51 блок драйверов силовых ключей, аналого-цифровой преобразователь 54, адаптер шины информационного обмена 55, часы реального времени 56, постоянное запоминающее устройство 57, оперативное запоминающее устройство 58, панель контроля и управления 59, блок ввода-вывода дискретных сигналов 60,
к первому входу-выходу микроконтроллера 53 подключен адаптер шины информационного обмена 55, выход которого образует шину информационного обмена 16 (см. фиг.1) блока управления 12 (см. фиг.1), ко второму - блок ввода-вывода дискретных сигналов 60, к первому, второму, третьему и четвертому входу микроконтроллера 53 подключены соответственно часы реального времени 56, постоянное запоминающее устройство 57, оперативное запоминающее устройство 58 и аналого-цифровой преобразователь 54,
первый, второй, …, восьмой выход i-й группы выходов микроконтроллера 53 подключен к i-й группе входов коммутатора на базе программируемой логической матрицы 52, первый, второй, …, восьмой выход j-й группы выходов микроконтроллера 53 подключен к j-й группе входов коммутатора на базе программируемой логической матрицы 52,
первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый, …, первый n-й, второй n-й, третий n-й, четвертый n-й, пятый n-й и шестой n-й выходы коммутатора на базе программируемой логической матрицы 52 подключены соответственно к входу первого 34, второго 35, третьего 36, четвертого 37, пятого 38, шестого 39, седьмого 40, восьмого 41, девятого 42, десятого 43, одиннадцатого 44, двенадцатого 45, …, первого n-го 46, второго n-го 47, третьего n-го 48, четвертого n-го 49, пятого n-го 50 и шестого n-го 51 блока драйверов силовых ключей, выходы которых являются первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым, восьмым, девятым, десятым, одиннадцатым, двенадцатым, …, первым n-м, вторым n-м, третьим n-м, четвертым n-м, пятым n-м и шестым n-м выходами блока управления 12 (см. фиг.1),
первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый вход аналого-цифрового преобразователя 54 являются первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым, восьмым, девятым и десятым входом блока управления 12 (см. фиг.1),
от входа питания блока управления 12 (см. фиг.1) электропитание разводится на микроконтроллер 53, коммутатор на базе программируемой логической матрицы 52, первый 34, второй 35, третий 36, четвертый 37, пятый 38, шестой 39, седьмой 40, восьмой 41, девятый 42, десятый 43, одиннадцатый 44, двенадцатый 45, …, первый n-й 46, второй n-й 47, третий n-й 48, четвертый n-й 49, пятый n-й 50 и шестой n-й 51 блок драйверов силовых ключей, аналого-цифровой преобразователь 54, адаптер шины информационного обмена 55, панель контроля и управления 59, блок ввода-вывода дискретных сигналов 60.
В высоковольтном регулируемом электроприводе переменного тока в качестве электродвигателя 22 может быть использован асинхронный или синхронный двигатель.
В высоковольтном регулируемом электроприводе переменного тока в качестве шины информационного обмена 16 блока управления 12 с внешней системой управления 17 может быть использован интерфейс RS-232 или интерфейс RS-485, или CAN-bus интерфейс распределенных систем реального времени, или мультиплексный канал межмодульного обмена информацией по ГОСТ 26765.52-87 (MIL-STD-1553B), или интерфейс локальных вычислительных сетей на базе «Ethernet».
Предлагаемая электроэнергетическая система работает следующим образом.
После подачи питания на электропривод от высоковольтной сети питания 3~50 Гц 1 напряжением 3 или 6, или 10 кВ и от низковольтной сети питания 1~50 Гц 27, 220 В, используя панель управления и контроля 59, подключенную к микроконтроллеру 53 блока управления 12 с помощью блока ввода-вывода дискретных сигналов 60, эксплуатирующим персоналом электроустановки производится оперативное управление электроприводом (пуск электродвигателя, выбор режима работы, останов и т.д.).
С помощью входного многообмоточного трансформатора 2, содержащего 9 вторичных обмоток для напряжения (3 кВ, 18 для 6 кВ или 27 для 10 кВ) высоковольтное напряжение понижается до 578 В, которое питает низковольтные силовые ячейки «выпрямитель-инвертор» 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11.
Примечание. Для 6 и 10 кВ, на практике вместо одного многообмоточного трансформатора с 18 и 27 вторичными обмотками могут использоваться соответственно два и три многообмоточных трансформатора с 9 вторичными обмотками.
Количество низковольтных силовых ячеек «выпрямитель-инвертор» 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 так же определяется классом напряжения: для 3 кВ необходимо 9, для 6 кВ - 18, а для 10 кВ - 27.
Пониженное напряжение с помощью неуправляемых трехфазных выпрямителей 28 выпрямляется и с помощью управляемых однофазных мостовых инверторов низковольтных силовых ячеек «выпрямитель-инвертор» 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 преобразуется в низкое напряжение переменного тока. Так как инверторы включаются последовательно, их низковольтные напряжения суммируется в высоковольтное трехфазное регулируемое напряжение и подается на высоковольтный электродвигатель 22 частотно-регулируемого электропривода переменного тока. Управление низковольтных силовых ячеек «выпрямитель-инвертор» 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 обеспечивается микроконтроллером 53 блока управления 12.
Микроконтроллер 12 с использованием часов реального времени 56 по программе, записанной в постоянном запоминающем устройстве 57 и загруженной в оперативное запоминающее устройство 58, осуществляет:
- опрос значений напряжения высоковольтной сети питания 1 с помощью второго датчика напряжения 24 и аналого-цифрового преобразователя 54 блока управления 12;
- формирование управляющих воздействий (плавный пуск, регулирование скорости и момента на валу электродвигателя 22 по требуемой характеристике, режим векторного управления электродвигателем 22, автоматическое снижение нагрузки при перегрузке электродвигателя 22 и т.д.), основанных на многоуровневой широтно-импульсной модуляции, на входы низковольтных силовых ячеек «выпрямитель-инвертор» 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 с помощью коммутатора на базе программируемой логической матрицы 52 и блоков драйверов силовых ключей 34-51 блока управления 12.
Примечание. Количество необходимых блоков драйверов силовых ключей 34-51, так же, как и количество вторичных обмоток входного трансформатора 2 и количество низковольтных силовых ячеек «выпрямитель-инвертор» 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, определяется классом напряжения. Предлагаемый коммутатор на базе программируемой логической матрицы 52 (8 на 8) позволяет обеспечить управление до 64 каналов управления, что позволяет использовать его, как для 9 низковольтных силовых ячеек «выпрямитель-инвертор» 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 (необходимо 18 каналов управления), так и для 27 низковольтных силовых ячеек «выпрямитель-инвертор» 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 (необходимо 54 канала управления);
- опрос значений линейных напряжений электродвигателя 22 с помощью первого датчика напряжения 21 и аналого-цифрового преобразователя 54 блока управления 12 и защиту от перекосов напряжения и обрыва фазы;
- опрос значений фазных токов электродвигателя 22 с помощью первого 18, второго 19 и третьего 20 датчика тока и аналого-цифрового преобразователя 54 блока управления 12 и защиту электродвигателя 22 от токов перегрузки и токов коротких замыканий;
- опрос значений скорости вращения электродвигателя 22 с помощью датчика скорости 23 и аналого-цифрового преобразователя 54 блока управления 12;
- опрос значений сопротивления изоляции с помощью устройства контроля изоляции 13 и аналого-цифрового преобразователя 54 блока управления 12 для предупреждения обслуживающего персонала электроустановки;
- опрос значений температуры силовых элементов электропривода с помощью блока датчиков температур 15 и аналого-цифрового преобразователя 54 блока управления 12 для обеспечения возможности уменьшения загрузки электродвигателя 22;
- формирование и передачу во внешнюю систему управления 17 контрольной информации о состоянии электропривода;
- получение от внешней системы управления 17 заданий по поддержанию заданных технологических процессов, требующих переменной скорости вращения электродвигателя 22 и их отработка;
- формирование протокола работы электропривода и подсчет совокупного времени наработки.
Для повышения надежности работы электропривода и осуществления возможности функции подхвата электродвигателя (свободно вращающийся электродвигатель 22 плавно перезапускается после восстановления высоковольтного питания 1), в электроприводе предусмотрен источник бесперебойного питания 26 и блок питания 25, обеспечивающие в течение заданного времени работу блока управлении 12.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый высоковольтный регулируемый электропривод переменного тока может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием и схемами (см. фиг.1, 2 и 3) на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.
Таким образом, предлагаемый высоковольтный регулируемый электропривод переменного тока может быть использован в различных областях (энергетика, горнодобывающая и нефтеперерабатывающая промышленности, жилищно-коммунальное хозяйство и т.д.) - везде, где требуется экономия электроэнергии, а также сохранение ресурса электродвигателя и максимальное снижение влияния на питающую сеть при пусках электродвигателя.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый высоковольтный регулируемый электропривод переменного тока отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и может быть защищен патентом Российской Федерации на изобретение.