ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
HIGH-VOLTAGE FREQUENCY-CONTROLLED ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к областям автоматизированного электропривода и преобразовательной техники и предназначено для регулирования скорости асинхронных и синхронных электродвигателей переменного тока.
Известны высоковольтные частотно-регулируемые электроприводы (далее ЧРП) на напряжение 3-10 кВ, типа ACS5000 фирмы ABB (Н. Донской, А. Иванов, В. Матисон, И. Ушаков «Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики», журнал «Силовая Электроника», 2008, №1, рис. 1 на 44 стр.), выполненные на основе многоуровневых инверторов и преобразователях частоты (далее ПЧ). В состав ЧРП входит сложный многообмоточный трансформатор, работающий от промышленной сети с частотой 50 Гц и регулируемый ПЧ, который может выполняться по различным схемам, например, мостовым или ячейковым. При мощности более 1 МВТ стоимость многообмоточного трансформатора составляет около 50% от стоимости электропривода.
Недостатки аналога - повышенные массогабаритные и стоимостные показатели ЧРП.
Так же известен высоковольтный ЧРП с многоуровневым ПЧ ячейкового типа ABS-DRIVE (Н.В. Донской, А.Г. Иванов, В.А. Матисон, И.И. Ушаков «Частотно-регулируемые высоковольтные электроприводы» // Известия Академии электротехнических наук РФ, Москва, 2010. №1, стр.23-25).
Аналог (см. фиг.1, где приведена упрощенная схема) содержит электродвигатель 6 и энергетический модуль 1, состоящий из соединенных между собой многообмоточного трансформатора 2. с вторичными обмотками 3, регулируемого преобразователя частоты ячейкового типа 4, системы управления 5. Изменением частоты и напряжения на выходе энергетического модуля 1 регулируется скорость электродвигателя 6. Система управления 5 выполнена на базе контроллера, а многообмоточный трансформатор подключен к промышленной сети 6 кВ, 50 Гц.
Недостатком аналога, являются большие габариты, масса, сложность и высокая стоимость трехфазного трансформатора 2.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному решению, и взятым за прототип, является устройство управления электродвигателем (рекомендованное экспертизой ФИПС в материалах запроса от 07.12.12 г.) (Свидетельство на полезную модель RU 34295 U 1, H02Р 6/00, 27.11. 2003).
Данное устройство содержит повышающий высокочастотный трансформатор, подключенный к промышленной сети 380 В, 50 Гц через нерегулируемый преобразователь высокой частоты, выход трансформатора соединен с электродвигателем через выпрямитель и инвертор образующими регулируемый преобразователь частоты. В описании прототипа приведена функциональная схема указанного устройства. Изменением частоты и напряжения на выходе регулируемого преобразователя частоты регулируется скорость электродвигателя. За счет применения нерегулируемого преобразователя высокой частоты и повышающего высокочастотного трансформатора решена задача снижения массы и габаритов трансформатора.
Недостатки прототипа:
1. По нашему мнению, прототип практически не работоспособен из-за подключения преобразователя высокой частоты к сети без реактора (или эквивалентного трансформатора), который должен обеспечивать: ограничение токов к.з. и производной тока через диоды (при их коммутации) выпрямителя, установленного на входе преобразователя частоты, а также для ограничения бросков тока в данном выпрямителе, возникающих при работе с обязательным емкостным фильтром на его выходе (см., например, Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Изд-во НГТУ, 2003, стр.664).
2. В прототипе решается более простая задача - управление двигателем от преобразователя частоты, состоящего из простого (двухполюсного по выходу) выпрямителя, выход которого подключен к аналогичному (двухполюсному по входу) инвертору. Для более сложных высоковольтных систем, где применяются многоуровневые регулируемые преобразователи частоты (как в аналоге), указанные выпрямитель и инвертор не пригодны. В них инвертор должен быть также многоуровневым, например, ячейковым, с подключением к более сложному выпрямительному блоку.
Технический результат заявляемого решения - снижение массогабаритных показателей частотно-регулируемого электропривода.
Технический результат достигается тем, что в высоковольтном частотно-регулируемом электроприводе, содержащем соответственно соединенные между собой электродвигатель, нерегулируемый преобразователь высокой частоты и энергетический модуль, состоящий из высокочастотного трансформатора и регулируемого преобразователя частоты с системой управления, нерегулируемый преобразователь высокой частоты через многообмоточный однофазный высокочастотный трансформатор соединен с регулируемым преобразователем высокой частоты, выполненным ячейкового типа, в котором входы выпрямительно-инверторных ячеек, состоящих из однофазных выпрямительных блоков с емкостными фильтрами и инверторных блоков, подключены к соответствующим вторичным обмоткам однофазного высокочастотного многообмоточного трансформатора, первичная обмотка которого соединена с выходом нерегулируемого преобразователя высокой частоты, а вход последнего через введенный реактор подключен к питающей сети.
В исполнении ЧРП на большую мощность к выпрямительно-инверторным ячейкам каждой фазы электродвигателя подключены соответственно соединенные соответствующей мощности нерегулируемый преобразователь высокой частоты, подключенный через соответствующий реактор к питающей сети, и однофазный многообмоточный трансформатор энергетического модуля.
За счет выполнения регулируемого преобразователя частоты ячейкового типа и подключения входа нерегулируемого преобразователя высокой частоты к промышленной сети через реактор, а также оригинальной схемы соединения составных элементов устройства, снижаются массогабаритные показатели высоковольтного ЧРП.
Выполнение частотно-регулируемого электропривода большой мощности с образованием трех блоков для питания каждой из трех фаз двигателя от индивидуального блока соответствующей мощности, выполненного на базе нерегулируемого преобразователя высокой частоты и энергетического модуля.
Сущность заявляемого, предполагаемого изобретения поясняется рисунками.
На фиг.1 показана схема прототипа,
на фиг.2 приведена обобщенная функциональная схема предлагаемого устройства,
на фиг.3 показана схема применительно к высокочастотному ЧРП ячейкового типа с однофазным нерегулируемым преобразователем высокой частоты и однофазным высокочастотным многообмоточным трансформатором,
на фиг.4 - схема ячейки регулируемого преобразователя частоты,
на фиг.5 приведена схема подключения к ЧРП силовых блоков (данная схема целесообразна для ЧРП большой мощности).
Приняты следующие обозначения:
1 - энергетический модуль;,
2 - многообмоточный трансформатор;
3 - вторичные обмотки многообмоточного трансформатора;
4 - регулируемый преобразователь частоты;
5 - система управления;
6 - электродвигатель переменного тока;
7 - нерегулируемый преобразователь высокой частоты;
8 - выпрямительный блок;
9 - конденсатор фильтра;
10 - инвертор напряжения;
11 -реактор (трехфазный или три однофазных);
12 - выпрямительно-инверторная ячейка;
13 - датчик тока;
14 - выпрямительный блок в ячейке 12;
15 - конденсатор фильтра в ячейке 12;
16 - инверторный блок в ячейке 12, состоящий из ключей, например, транзисторных с обратными диодами;
17 - силовой блок, содержащий нерегулируемый преобразователь высокой частоты 7, например, на 1000 Гц и соответствующий высокочастотный многообмоточный трансформатор 2 энергетического модуля 1.
Параметры:
1
2
f - частота на выходе 7, f - частота на выходе 4;
U - напряжение на выходе 4 по фиг.2 и фиг.3;
Uy - напряжение управления на входе 5;
i - сигнал с датчика тока 13. Заявляемое устройство содержит энергетический модуль 1, в который входит трансформатор 2 с вторичными обмотками 3, регулируемый преобразователь частоты 4, выполненный ячейкового типа, систему управления 5, и электродвигатель 6 соответственно соединенные между собой. Многообмоточный трансформатор 2 выполнен однофазным высокочастотным, а его первичная обмотка подсоединена к нерегулируемому преобразователю высокой частоты 7, состоящему из выпрямительного блока 8, конденсатора фильтра 9 и инвертора напряжения 10, вход нерегулируемого преобразователя высокой частоты 7 подключен к промышленной сети, например, через трехфазный реактор 11.
В ЧРП ячейкового типа вторичные обмотки 3 однофазного многообмоточного трансформатора 2 соединены с выпрямительно-инверторными ячейками 12, включенными последовательно с соответствующими датчиками тока 13 в соответствующие фазы электродвигателя 6. Каждая ячейка 12 содержит выпрямительный блок 14, конденсатор фильтра 15 и инверторный блок 16, состоящий из ключей, например, транзисторных с обратными диодами. Нерегулируемый преобразователь высокой частоты 7 и высокочастотный многообмоточный трансформатор 2 в ЧРП большой мощности образуют силовой блок 17, количество данных блоков равно числу фаз электродвигателя 6.
Нерегулируемый преобразователь высокой частоты 7 может содержать корректор коэффициента мощности, предназначенный для улучшения электропривода по мощности и с высокочастотным многообмоточным трансформатором 2 может выполняться соответственно в однофазном или трехфазном исполнении.
Каждая выпрямительно-инверторная ячейка 12 регулируемого преобразователя частоты 4 выполнена по двухполупериодной схеме выпрямления. Может выполняться с нулевой точкой соответствующей вторичной обмотки многообмоточного трансформатора 2.
Заявляемое устройство обеспечивает резкое снижение массы и габаритов высокочастотного многообмоточного трансформатора 2, а также количества диодов в выпрямительных блоках 14 выпрямительно-инверторных ячеек 12, что улучшает массогабаритные и стоимостные показатели электропривода в целом.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Энергетический модуль 1 получает напряжение питания через многообмоточный трансформатор 2, выполненный высокочастотным от нерегулируемого преобразователя высокой частоты 7. Данное напряжение вырабатывается путем выпрямления блоком 8 сетевого напряжения с частотой 50 Гц и его преобразования инвертором напряжения 10 в высокую частоту, например, 1000 Гц (инвертор напряжения 10 выполняется, например, на относительно недорогих однооперационных тиристорах).
Нерегулируемый преобразователь высокой частоты 7 подключается к питающей сети например, через трехфазный реактор 11. Мощность трехфазного реактора 11 выбирается из условия
,
где
k
I - ток фазы реактора, е [%] - напряжение к.з. реактора, которое соизмеримо с аналогичной величиной для многообмоточного трансформатора 2, выполненного высокочастотным (фиг.1) и составляет, величину около 5%.
k
Следует отметить, что при одинаковых значениях е=5% и тока I (для трансформатора и реактора), мощность трансформатора
TP
S=3I·U
в 20 раз выше, чем у реактора (где U - фазное напряжение сети).
2
Напряжение с выхода инвертора напряжения 10 (рис.2) поступает на высокочастотный трансформатор 2, который через вторичные обмотки 3 распределяет его в схему регулируемого преобразователя частоты 4. Регулируемый преобразователь частоты 4 может выполняться по различным схемам и для регулирования скорости электродвигателя 6 вырабатывает переменную частоту, например, f=О - 50 Гц и переменное напряжение U от нуля до 3 кВ или 6 кВ. При этом скорость электродвигателя 6 изменяется пропорционально указанной частоте. Система управления 5 обеспечивает реализацию требуемого алгоритма управления за счет одновременного изменения частоты и напряжения, например, по закону
.
За счет высокой частоты f1 габариты и расход активных материалов многообмоточного трансформатора 2, выполненного высокочастотным, определяемые произведением числа витков W на поперечное сечение магнитопровода Q при заданной его мощности, резко сокращаются:
,
где
m
B - максимальная рабочая индукция в магнитопроводе.
Многообмоточный трансформатор 2, выполненный высокочастотным и инвертор напряжения 10 могут выполняться в однофазном или трехфазном исполнении. А регулируемый преобразователь частоты 4 может выполняться по мостовым или ячейковым схемам.
На фиг.3 приведена схема высоковольтного ЧРП с регулируемым преобразователем частоты 4 ячейкового типа. Схема выпрямительно-инверторной ячейки 12 с однофазным мостовым выпрямительным блоком 14 приведена на фиг.4. С целью сокращения количества диодов в выпрямительном блоке 14 в два раза и снижением потерь мощности в них, данный блок в каждой выпрямительно-инверторной ячейке может быть выполнен также и по однофазной двухполупериодной схеме выпрямления с нулевой точкой, соответствующей вторичной обмотки многообмоточного трансформатора. При этом схема инвертора напряжения в выпрямительно-инверторной ячейке и ее подключение к конденсатору фильтра и выходу выпрямительного блока не изменяются.
Напряжение на электродвигателе 6 образуется суммированием выходных напряжений выпрямительно-инверторных ячеек 12 по заданному закону управления. В остальном, принцип работы данной схемы аналогичен по фиг.2. Здесь также используется один нерегулируемый преобразователь высокой частоты 7. Однако в ЧРП большой мощности токи и мощности нерегулируемого преобразователя высокой частоты 7 и многообмоточного трансформатора 2 возрастают. В результате практическая реализация нерегулируемого преобразователя высокой частоты 7 и многообмоточного трансформатора 2 из-за ограниченной мощности отдельных комплектующих изделий, например, ключей инвертора напряжения 10, может оказаться технически не оптимальной или нереализуемой.
Для систем ЧРП большой мощности (фиг.5 схематично показаны силовые блоки 17 большой мощности (например, электропривода более 5 МВт), где вместо одного блока нерегулируемого преобразователя высокой частоты 7 применяются три блока 7 и три высокочастотных трансформатора 2 меньшей мощности, образующие три силовых блока 17 (3 - по количеству фаз ABC электродвигателя 6). Каждый блок 17 обеспечивает питание всем выпрямительно-инверторным ячейкам 12 одной соответствующей фазы регулируемого преобразователя частоты 4. Такое решение позволяет оптимизировать по мощности многообмоточный трансформатор 2 и нерегулируемый преобразователь высокой частоты 7. Система управления 5 (фиг.2, фиг.3) работает в функции трех сигналов - управления, напряжения на двигателе и с датчиков тока 13.
Таким образом, благодаря выполнению регулируемого преобразователя высокой частоты ячейкового типа, снижаются габаритные показатели электропривода. Многообмоточный трансформатор и нерегулируемый преобразователь высокой частоты образуют силовой блок. Для систем ЧРП большой мощности используются несколько силовых блоков, причем их количество равно числу фаз электродвигателя. А в каждом из силовых блоков нерегулируемый преобразователь высокой частоты и высокочастотный многообмоточный трансформатор выполнены соответственно меньшей мощности.