СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ В МНОГОУРОВНЕВОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ПИТАНИЯ СИНХРОННЫХ И АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
METHOD OF DISTRIBUTING POWER IN MULTILEVEL FREQUENCY CONVERTER FOR POWERING SYNCHRONOUS AND ASYNCHRONOUS MOTORS

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям частоты. Использование для питания высоковольтных асинхронных и синхронных двигателей.
Известными аналогами являются способы распределения мощности в бестрансформаторных многоуровневых преобразователях частоты [1], в которых напряжение в звене постоянного тока делится на необходимое число уровней за счет последовательного соединения буферных конденсаторов, а выходные цепи преобразователя в каждый момент времени через последовательно соединенные силовые ключи подсоединяются к требуемому узлу в соединении буферных конденсаторов. Существенными недостатками таких схем являются: возможность появления на буферных конденсаторах и силовых ключах недопустимо высокого напряжения, а также потеря работоспособности всего устройства при выходе из строя какого-либо элемента.
В качестве прототипа можно указать способ распределения мощности [2] в преобразователе, содержащем силовой низкочастотный (50-60 Гц) трансформатор, выходной фильтр, инверторно-рекуперационные модули, каждый из которых содержит два однофазных моста и буферный конденсатор, причем цепи постоянного тока обоих мостов подсоединены параллельно к буферному конденсатору, цепь переменного тока первого моста подсоединена к одной из вторичных обмоток силового трансформатора, а цепь переменного тока второго моста, являющаяся выходом модуля, подсоединена последовательно с выходами других модулей таким образом, что образуются три группы, соединенные в звезду, к выходу которой подключен выходной фильтр. Достоинством указанного преобразователя является наличие функции рекуперации энергии, а также возможность построения преобразователя с высокой надежностью работы при постановке на инверторно-рекуперационные модули байпасных контуров, обеспечивающих работоспособность преобразователя частоты в целом при выходе из строя какого-либо инверторно-рекуперационного модуля. Недостатками являются высокие массогабаритные показатели трансформатора и большая суммарная емкость буферных конденсаторов, требующаяся для уменьшения низкочастотных провалов напряжения в звеньях постоянного тока.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение массогабаритных показателей и уменьшение суммарной емкости буферных конденсаторов преобразователя частоты.
Технический результат достигается тем, что по способу в упомянутом преобразователе выходное напряжение получают с помощью выходных инверторно-рекуперационных модулей, каждый из которых содержит первый и второй однофазные мосты и буферный конденсатор, причем цепи постоянного тока первого и второго однофазных мостов подсоединены параллельно к буферному конденсатору, цепь переменного тока второго однофазного моста соединена последовательно с цепями переменного тока вторых однофазных мостов других выходных инверторно-рекуперационных модулей таким образом, чтобы образовались три группы, соединенные в звезду, к выводам которой подключен выходной фильтр, распределение мощности между всеми инверторно-рекуперационными модулями осуществляют на высокой частоте через единый высокочастотный энергетический узел, для чего вводят входной фильтр, высокочастотные трансформаторы и входные инверторно-рекуперационные модули, каждый из последних содержит первый и второй однофазные мосты и буферный конденсатор, причем цепи постоянного тока первого и второго однофазных мостов подсоединяют параллельно к буферному конденсатору, цепь переменного тока второго однофазного моста соединяют последовательно с цепями переменного тока вторых однофазных мостов других входных инверторно-рекуперационных модулей таким образом, чтобы образовались три группы, соединенные в звезду, к выводам которой подключают входной фильтр, у всех и входных и выходных инверторно-рекуперационных модулей первые однофазные мосты выполняют высокочастотными и управляют ими, используя единый частотозадающий сигнал, а цепи переменного тока первых однофазных мостов соединяют между собой параллельно по переменному току через высоко-частотные трансформаторы так, чтобы образовался упомянутый единый высокочастотный энергетический узел, через который путем взаимного перетока мощности происходит автоматическое выравнивание напряжений на буферных конденсаторах всех и входных и выходных инверторно-рекуперационных модулей подобно сообщающимся сосудам с жидкостью.
Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1), на котором представлена структурная схема силовой части одного из возможных вариантов преобразователя частоты по заявляемому способу. Элементы управления, защиты и прочие элементы, не меняющие сущность изобретения, не показаны.
Преобразователь частоты состоит из: входных инверторно-рекуперационных модулей 1, каждый из которых состоит из первого высокочастотного однофазного моста 2, второго однофазного моста 3 и буферного конденсатора 4, выходных инверторно-рекуперационных модулей 5, каждый из которых состоит из первого высокочастотного однофазного моста 6, второго однофазного моста 7 и буферного конденсатора 8, высокочастотных трансформаторов 9 и 10, высокочастотной шины 11, входного 12 и выходного 13 фильтров.
Работа двигателя осуществляется следующим образом. Мощность из сетевых фаз А,В,С через фильтр 12 поступает на вход звезды, образованной последовательно соединенными цепями переменного тока мостов 3 модулей 1. Многоуровневость такой системы позволяет получить коэффициент потребляемой из сети мощности близкий к единице.
В каждом из модулей 1 мощность поступает по цепи постоянного тока от моста 3 в мост 2. Конденсатор 4 подсоединен параллельно к упомянутой цепи постоянного тока. От цепей переменного тока мостов 2 мощность поступает на свои обмотки II трансформаторов 9, обмотки I которых подсоединены параллельно друг другу посредством шины 11. Через шину 11 проходит сумма всех мощностей, поступающих от трехфазной сети А, В, С.
Далее от шины 11 мощность распределяется между модулями 5 через трансформаторы 10, обмотки I которых подсоединены параллельно к шине 11, а обмотки II подсоединены к своим цепям переменного тока мостов 6. В каждом из модулей 5 мощность поступает по цепи постоянного тока от высокочастотного моста 6 в мост 7. Конденсатор 8 подсоединен параллельно к упомянутой цепи постоянного тока. Управление мостами 2 и 6 всех модулей 1 и 5 осуществляется с использованием единого частотозадающего сигнала.
Цепи переменного тока мостов 7 образуют звезду, выводы которой подсоединены к фильтру 13, к выводам U, V, W которого подсоединен двигатель. Многоуровневость описанной системы обеспечивает низкий коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения.
Вышеописанное соединение цепей переменного тока всех мостов 2 и 6 параллельно по переменному току через трансформаторы 9 и 10 к шине 11 позволяет сделать вывод о создании единого высокочастотного энергетического узла, через который проходит вся передаваемая между входом и выходом частотного преобразователя мощность. Наличие такого узла обеспечивает постоянное выравнивание напряжения на всех конденсаторах 4 и 8 за счет перетока энергии от конденсаторов с большим напряжением к конденсаторам с меньшим напряжением подобно сообщающимся сосудам с жидкостью. Это приводит к образованию из всех конденсаторов 4 и 8 единого энергетического буфера, эквивалентная емкость которого равна сумме емкостей всех буферных конденсаторов 4 и 8.
Известно, что при отсутствии перекоса и при постоянной нагрузке сумма мгновенных мощностей в трехфазной сети не зависит от времени. Поэтому, с учетом факта сложения в едином высокочастотном энергетическом узле всех поступающих и исходящих мощностей по всем входным А, В, С и выходным U, V, W фазам, а также с учетом вышеописанного образования единого энергетического буфера роль всех конденсаторов 4 и 8 сводится главным образом к обеспечению фильтрации высокочастотных составляющих в цепях постоянного тока модулей 1 и 5 и к обеспечению стабильности системы управления. Следовательно, суммарную емкость конденсаторов 4 и 8 можно выбирать значительно ниже суммарной емкости буферных конденсаторов прототипа.
Работа в режиме рекуперации вследствие симметричности схемы происходит в порядке, обратном вышеописанному.
При использовании многообмоточных высокочастотных трансформаторов можно уменьшить их общее число и, соответственно, уменьшить число обмоток I при сохранении общего числа обмоток II. Крайний случай - один высокочастотный трансформатор: обмотки! отсутствуют, а роль единого высокочастотного энергетического узла играет единый мангитопровод. Однако, учитывая требования высоковольтности конструкции, можно утверждать, что недостатком применения многообмоточных трансформаторов является снижение магнитной связи между обмотками, что может вызвать проблемы в передаче мощности в высокочастотном диапазоне.
Оценки массогабаритных показателей высокочастотных трансформаторов при работе на частоте 33 кГц для средней мощности 3600 кВА (6,6 кВ) дают общую массу не более 600 кг - против массы низкочастотного трансформатора [3] около 12000 кг - и соответствующее снижение габаритов.
Необходимо отметить, что:
- вследствие значительного снижения суммарной буферной емкости в преобразователе частоты уменьшается число элементов с пониженной надежностью и высокой ценой;
- для преобразователя частоты прототипа выход из строя трансформатора приводит к выходу из строя всего преобразователя. Для преобразователя частоты по заявляемому способу по схеме «один высокочастотный преобразователь - один высокочастотный трансформатор» (Фиг.1) возможно включение каждого высокочастотного трансформатора конструктивно в состав своего инверторно-рекуперационного модуля, который будет байпасироваться при выходе из строя какого-либо элемента для безостановочной работы преобразователя частоты в целом.
Источники информации
1. Донской Н.В. и др. Многоуровневые автономные инверторы. - Силовая электроника (www.power-e.ru), 2008 г, №1, с.43-46.
2. Патент РФ №2303851 С1, действие с 03.11.2005, опубл. 27.07.2007. Стригулин А.П. Статический многоуровневый преобразователь частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей.
3. Лазарев Г.Б. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода. Построение различных систем. - Новости электротехники 2005, №2, с.23.