ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.
Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к автоматизированным электроприводам и преобразовательной технике, и предназначена для преобразования входного переменного напряжения 10 кВ промышленной частоты 50 Гц в переменное напряжение с частотой от 0 до 120 Гц и величиной от 0 до 10 кВ, необходимыми для пуска и регулирования частоты вращения асинхронных и синхронных электродвигателей переменного тока.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известен высоковольтный частотно-регулируемый электропривод (RU 144730 U1, дата публикации 29.07.2014, патентообладатели ОАО «АК Транснефть», ООО «Балтнефтепровод», ООО «НИИ ТНН»), принятый в качестве ближайшего аналога, содержащий исполнительный механизм, электродвигатель, трансформатор и высоковольтный преобразователь частоты. Высоковольтный преобразователь частоты напряжением 10 кВ, мощностью 2500 кВт включает в себя многообмоточный трансформатор и многоуровневый инвертор напряжения, причем высоковольтный преобразователь частоты установлен в блок-контейнере и содержит четыре шкафа: шкаф многообмоточного трансформатора, два шкафа многоуровневого инвертора напряжения и шкаф тормозных резисторов.
Недостатком ближайшего аналога является низкая надежность высоковольтного преобразователя частоты, обусловленная:
- повышенным требованием к качеству выполнения и регулярности обслуживания фильтрующих элементов системы воздушного охлаждения шкафа многоуровневого инвертора напряжения (далее инвертор напряжения);
- низкой степенью безопасного обслуживания;
- отсутствием сброса избыточной энергии в инверторе напряжения, что не исключает возникновение перенапряжений в инверторе и вызванные этим аварийные отказы работы оборудования;
- неравномерным охлаждением обмоток трехфазного многообмоточного трансформатора и связанной с этим возможностью возникновения их местных перегревов.
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении надежности высоковольтного преобразователя частоты.
Технический результат достигается тем, что в высоковольтном преобразователе частоты, содержащим трехфазный многообмоточный трансформатор и многоуровневый инвертор напряжения, размещенные в шкафах с системой воздушного охлаждения, шкафы с системой воздушного охлаждения выполнены разделенными на секции, при этом в шкафу многоуровневого инвертора напряжения силовые блоки с однофазными инверторами напряжения, блок мультипроцессорного управления и низковольтных подключений и блок воздушного охлаждения расположены в разных секциях, а секции высоковольтного и низковольтного напряжений выполнены с раздельным доступом и с блокировками, препятствующими доступу к высоковольтным секциям со стороны низковольтных секций, силовые блоки многоуровневого инвертора напряжения содержат узлы сброса энергии, а выпрямители силовых блоков выполнены полууправляемыми. Система воздушного охлаждения трехфазного многообмоточного трансформатора содержит два тангенциальных вентилятора и один осевой вентилятор на каждую фазу многообмоточного трехфазного трансформатора. Термодатчики установлены на все три фазы первичной обмотки и на магнитопровод трехфазного многообмоточного трансформатора.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Сущность полезной модели состоит:
- в применении шкафного исполнения с воздушным охлаждением с разделенными секциями, при этом, в шкафу многоуровневого инвертора напряжения силовые блоки с однофазными инверторами напряжения, блок мультипроцессорного управления и низковольтных подключений и блок воздушного охлаждения расположены в разных секциях, а секции высоковольтного и низковольтного напряжений выполнены с раздельным доступом и с блокировками, препятствующими доступу к высоковольтным секциям со стороны низковольтных секций, силовые блоки многоуровневого инвертора напряжения содержат узлы сброса энергии,
- в введении в состав силовых блоков инвертора напряжения узлов сброса энергии и в выполнении выпрямителей силовых блоков по полууправляемой схеме;
- в применении системы воздушного охлаждения трехфазного многообмоточного трансформатора с двумя тангенциальными вентиляторами на каждую фазу многообмоточного трехфазного трансформатора, при этом вентиляторы создают вертикальный воздушный поток вдоль обмоток трансформатора, первый с лицевой стороны, а второй с задней стороны трансформатора, чем обеспечивается более равномерное охлаждение обмоток трансформатора, и исключаются их местные перегревы;
- установкой термодатчиков на все три фазы первичной обмотки трехфазного многообмоточного трансформатора для более надежного контролирования температурного режима трансформатора.
ПРИВОДИМЫЕ ЧЕРТЕЖИ
На фиг. 1 - функциональная схема высоковольтного преобразователя частоты на напряжение 10 кВ.
На фиг. 2 - общий вид конструкции высоковольтного преобразователя частоты (вид сверху).
На фиг. 3 - функциональная схема силового блока многоуровневого инвертора напряжения.
На рисунках приняты следующие обозначения:
1 - шкаф трехфазного многообмоточного трансформатора;
2 - шкаф многоуровневого инвертора напряжения;
3 - секция блока воздушного охлаждения;
4 - секция силовых блоков с однофазными инверторами напряжения;
5 - секция блока мультипроцессорного управления и низковольтных подключений;
6 - блок мультипроцессорного управления и низковольтных подключений;
7 - радиаторы силовых блоков с однофазными инверторами напряжения;
8 - силовые блоки с однофазными инверторами напряжения;
9 - секция силовых подключений шкафа трансформатора;
10 - секция трехфазного многообмоточного трансформатора шкафа трансформатора;
11 - трехфазный многообмоточный трансформатор;
12 - дверцы секций;
13 - узлы блокировок;
14 - стенка, разделяющая секцию силовых блоков с однофазными инверторами напряжения и секцию блока воздушного охлаждения;
В - блок выпрямителя;
И - инвертор напряжения на IGBT транзисторах;
ПР - предохранители;
УЗ - узел сброса энергии;
Ф - фильтрующий конденсатор. РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Высоковольтный преобразователь частоты состоит из шкафа 1 трехфазного многообмоточного трансформатора 11 и шкафа 2 многоуровневого инвертора напряжения. Шкаф 1 трехфазного многообмоточного трансформатора 11 содержит секцию 9 силовых подключений, где выполняются внешние подключения высоковольтного преобразователя частоты и секцию 10, где расположен трехфазный многообмоточный трансформатор 11. Шкаф 2 многоуровневого инвертора напряжения содержит секцию 3 блока воздушного охлаждения, секцию 4 силовых блоков 8 с однофазными инверторами напряжения, секцию 5 блока мультипроцессорного управления и низковольтных подключений. Силовые блоки 8 расположены рядами количеством три по вертикали и девять по горизонтали. В каждом горизонтальном ряду силовые блоки соединены последовательно и относятся к отдельной фазе высоковольтного преобразователя частоты (на фиг. 2 показаны пять из девяти силовых блоков 8 верхнего горизонтального ряда). Силовые блоки 8 устанавливаются в секции 4 и крепятся на стенке 14, разделяющей секции 3 и 4 таким образом, что радиаторы 7 силовых блоков 8 находятся в секции 3 блока воздушного охлаждения.
Секции 9 и 10 шкафа 1 трехфазного многообмоточного трансформатора 11 и секции 3 и 4 шкафа 2 многоуровневого инвертора напряжения являются высоковольтными, а секция 5 блока мультипроцессорного управления и низковольтных подключений низковольтной. Доступ к высоковольтным и низковольтным секциям выполнен раздельным через дверцы 12, причем дверцы 12 высоковольтных секций 9 и 10 шкафа 1 трехфазного многообмоточного трансформатора 11 и секции 4 шкафа 2 многоуровневого инвертора напряжения снабжены узлами 13 блокировок, исключающими доступ к секциям высоковольтного преобразователя частоты при подключенном силовом напряжении. Благодаря этому обеспечивается повышенная безопасность обслуживания.
Трехфазный многообмоточный трансформатор 11 представляет собой трансформатор класса сухой изоляции на напряжения 10/0,71 кВ (в прототипе 10/0,69 кВ). В отличие от прототипа он имеет собранный сердечник с тремя параллельно соединенными первичными обмотками (в прототипе одна первичная обмотка) 27 раздельных вторичных обмоток, выполненных с пространственными фазовыми сдвигами друг относительно друга на 6,67 электрических градусов (в прототипе 27 аксиально-раздельных вторичных обмоток). Трехфазный многообмоточный трансформатор 11 выполняет преобразование напряжения сети в систему трехфазных напряжений для питания силовых блоков 8 (на фиг. 1 обозначены А1-А9 в фазе U, В1-В9 в фазе V, С1-С9 в фазе W).
В отличие от прототипа для обеспечения воздушного охлаждения трехфазного многообмоточного трансформатора 11 для каждой из его трех фаз используются не один, а два тангенциальных вентилятора, установленных на основании трансформатора, и осевые вентиляторы, установленные на дверцах 12 шкафа 1 трехфазного многообмоточного трансформатора 11. Тангенциальные вентиляторы создают вертикальный воздушный поток вдоль обмоток трансформатора, первый с лицевой стороны, а второй с задней стороны трехфазного многообмоточного трансформатора 11, чем обеспечивается равномерное охлаждение обмоток и исключаются их местные перегревы. Осевые вентиляторы обеспечивает подачу воздуха из помещения внутрь шкафа 1.
Для контроля температуры трехфазного многообмоточного трансформатора 11 устанавливаются термодатчики на все три фазы первичной обмотки, а также на магнитопровод трехфазного многообмоточного трансформатора 11 (в прототипе устанавливаются термодатчики только в обмотке одной фазы и на магнитопроводе). Температура трехфазного многообмоточного трансформатора 11 отображается на мониторе контроллера и передается в цифровом виде в терминал системы управления. При достижении температуры 100°C формируется предупреждающий сигнал, а при температуре 110°C происходит аварийное отключение высоковольтного преобразователя частоты.
В шкафу 2 многоуровнего инвертора напряжения, в отличие от прототипа, применена принципиально иная организация системы воздушного охлаждения с индивидуальными независимыми воздушными потоками для секций 3 и секций 4, 5. Первый, основной воздушный поток, организуется в секции 3 шкафа 2 многоуровневого инвертора напряжения. Этот поток формируется блоком вентиляторов, установленных на крыше шкафа 2 многоуровневого инвертора напряжения, он обеспечивает обдув радиаторов 7 силовых блоков 8 многоуровневого инвертора напряжения, являющимися основными источниками тепловыделения высоковольтного преобразователя частоты. Второй блок вентиляторов установлен на дверцах 12 лицевой стороны шкафа 2 многоуровневого инвертора, он обеспечивает воздухообмен между внутренним объемом секций 4, 5 и окружающей средой. При этом секция 5 с блоком 6 мультипроцессорного управления и низковольтных подключений снабжена отверстиями для связи с воздушным потоком в секции 4. Секции 4, 5 содержат микроэлектронные элементы, выделяющие незначительное количество тепла, в сотни раз меньшее, чем радиаторы 7 силовые блоков 8, однако они чувствительны к загрязнениям и вредным примесям, привносимым воздушным потоком. В то же время радиаторы 7 силовых блоков 8, расположенные в секции 3, выделяющие основную массу тепла, не чувствительны к загрязнениям воздушного потока. В связи с этим для организации воздушного потока в секциях 4 и 5 достаточно вентиляторов небольшой мощности, поддерживающих избыточное давление воздуха в этих секциях 4 и 5, препятствующее засасыванию загрязненного внешнего воздуха, но снабженных входными воздушными фильтрами с хорошей эффективностью. Например, здесь требуются фильтры тонкой очистки класса не хуже F5. Для секции 3 требуются вентиляторы большой мощности, но с низкими требованиями к фильтрации воздуха, здесь достаточно фильтров грубой очистки, класса, например, G3. Благодаря применяемой организации системы воздушного охлаждения резко снижаются требования к качеству выполнения и регулярности обслуживания фильтрующих элементов системы. Так как через фильтры тонкой очистки, имеющие относительно небольшую проницаемость, пропускаются небольшие потоки воздуха, а в основном большом воздушном потоке устанавливаются фильтры грубой очистки, имеющие относительно большую проницаемость, ресурс работы фильтров существенно увеличиваются. Дополнительно к этому, даже задержка с заменой фильтров тонкой очистки не вызывает отказов в работе высоковольтного преобразователя частоты, т.к. увеличенное аэродинамическое сопротивление подлежащих замене фильтров снижает объем пропускаемого воздуха в секциях 4 и 5, что в данном случае не критично из-за малого тепловыделения в этих секциях. Это приводит лишь к уменьшению перепада давления в секциях 4 и 5 относительно окружающей среды.
Таким образом, такая организация воздушного охлаждения шкафа 1 трехфазного многообмоточного трансформатора 11 и шкафа 2 многоуровневого инвертора напряжения позволяет повысить надежность работы высоковольтного преобразователя частоты.
Силовые блоки 8 шкафа 2 многоуровневого инвертора напряжения запитаны от вторичных обмоток многообмоточного трансформатора 11 трехфазным переменным напряжением 710 В (в прототипе 690 В) и состоят из диодно-тиристорного выпрямителя В, фильтрующих полипропиленовых конденсаторов Ф (в прототипе пленочные конденсаторы), узла УЗ сброса энергии на IGBT транзисторах, однофазного инвертора напряжения И на IGBT транзисторах, установленных на радиаторах.
Трехфазный диодно-тиристорный выпрямитель В расположен на входе силового блока 8 и предназначен для питания инвертора напряжения И на IGBT транзисторах. В отличие от прототипа выпрямитель В выполнен полууправляемым за счет применения диодно-тиристорной схемы выпрямления. Используя фазовое управление углом открывания тиристоров выпрямителя В достигается плавный заряд фильтрующих конденсаторов Ф при включении питания с исключением неконтролируемых динамических бросков зарядного тока этих конденсаторов Ф. По окончании этапа заряда проверяется уровень напряжения на конденсаторе Ф. Если конденсатор заряжен, то полностью включаются все тиристоры.
Введенный в силовой блок 8 узел УЗ сброса энергии предназначен для сброса избыточной энергии в тормозные резисторы (эта функция отсутствует в црототипе), что позволяет исключить перенапряжения в звене постоянного тока силового блока 8 на фильтрующих конденсаторах Ф. Тормозные резисторы (на схеме не показаны) могут устанавливаться в секции 3 шкафа 2 многоуровневого инвертора напряжения, либо вне шкафа 2 многоуровневого инвертора напряжения. Избыточная энергия возникает, например, при торможении электродвигателя за счет запасенной энергии вращающимся ротором электродвигателя, и выражается в увеличении напряжения на статорных обмотках электродвигателя, что приводит к дополнительному заряду фильтрующих конденсаторов Ф и, следовательно, к увеличению напряжения в звене постоянного тока силовых блоков 8. Это напряжение при отсутствии его контроля может превысить предельно допустимые значения для IGBT транзисторов инверторов напряжения силовых блоков 8 и вывести их из строя. Узел УЗ сброса энергии контролирует напряжение в звене постоянного тока силовых блоков 8. При достижении установленного порогового значения открывается IGBT транзистор узла УЗ сброса энергии и фильтрующие конденсаторы Ф разряжаются на тормозные резисторы, подключенные к выходам R1 и R2 узла УЗ сброса энергии, обеспечивая защиту силового блока 8 от возникновения перенапряжений.
Силовые блоки 8 (на фиг. 2 обозначены А1-А9, В1-В9, С1-С9) многоуровневого инвертора напряжения являются законченным функциональным узлом с реализацией защит от:
- коротких замыканий;
- неисправности драйвера управления транзистора;
- перегрева IGBT модуля;
- неисправности цепей питания транзистора (в прототипе отсутствует защита);
- повышения напряжения в звене постоянного тока;
- понижения напряжения в звене постоянного тока;
- обрыва фазы питания на входе силового блока 8 многоуровневого инвертора напряжения;
- ошибки синхронизации управления тиристоров (в прототипе отсутствует защита).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ РАБОТЫ
Взаимодействие между блоком 6 мультипроцессорной системы управления и силовыми блоками 8 происходит посредством оптоволоконной связи. Управляющие сигналы включают в себя коммутационную функцию, разрешение работы тиристорных и IGBT модулей, а также сброс внутренних защит и разрешение сброса энергии звена постоянного тока силового блока 8 в тормозные резисторы. Все силовые блоки 8 с однофазными инверторами напряжения высоковольтного преобразователя частоты изолированы друг от друга и могут работать независимо. Использование независимых вторичных обмоток многообмоточного трансформатора 11 позволяет организовать сдвиг фаз между вторичными обмотками, который используется для уменьшения гармонических искажений в форме потребляемого из сети тока.
РАБОТА ПРЕДЛОЖЕННОГО УСТРОЙСТВА
Блок 6 мультипроцессорного управления высоковольтного преобразователя частоты организован в виде мультипроцессорной системы управления с интеллектуальными микропроцессорными блоками и состоит из:
- интерфейсных блоков связи с силовыми блоками 8;
- интерфейсных блоков связи с входными/выходными датчиками тока;
- блока вычислителя на базе DSP процессора, интерфейсного ARM микропроцессора и шинного интерфейсного модуля на основе PLD матрицы, для организации BLVDS шины и CAN канала;
- интерфейсного модуля для организации связи с АСУТП и панелью оператора;
- блоков аналогового и дискретного ввода/вывода.
Мультипроцессорная система управления обеспечивает параллельную работу обработки информации обратной связи и распределения управления, а также анализ и конфигурирование способа управления на основе распределенных вычислений.
Обработка информации обратной связи обеспечивается через оптический последовательный синхронный интерфейс связи с независимыми датчиками входного и выходного тока, входного и выходного напряжения, температуры.
Управление силовыми блоками 8 многоуровневого инвертора напряжения обеспечивается асинхронным интерфейсом связи, включает в себя обмен коммутационной функцией и сигналами команд и состояний. Команды обеспечивают управление тиристорами блока В выпрямителя, транзисторами инвертора напряжения И на IGBT транзисторах, узлом УЗ сброса энергии и режимом работы. Состояния включают в себя: контроль драйверов управления транзисторами инвертора напряжения И, контроль уровня напряжения, контроль входного напряжения, контроль температуры IGBT модуля и платы управления, контроль целостности линии интерфейса связи.
Мультипроцессорная система управления выполняет функции управления электродвигателем, а также специальные режимы управления (такие как переход на питающую сеть, подхват преобразователем частоты электродвигателя, работающего от сети, и подхват преобразователем частоты электродвигателя вращающегося на выбеге) и функции аварийного регистратора, обеспечивает набор защит по входу и выходу:
- от коротких замыканий и тока перегрузки;
- от перенапряжений;
- повышения и понижения силового напряжения;
- от недопустимого снижения или исчезновения питающего и оперативного напряжения;
- контроль фазных напряжений питающей сети;
- контроль фазных напряжений на выходе высоковольтного преобразователя частоты;
- от перегрева силовых блоков 8 и многообмоточного трансформатора 11;
- от неисправности силовых блоков 8;
- от отказа системы охлаждения;
- от потери возбуждения при работе с синхронным электродвигателем при наличии сигнализации системы возбуждения;
- от нарушения связи в цепях управления;
- от неисправности в системе питания цепей управления;
- от стопорения вала электродвигателя;
- внешняя неисправность (отдельный вход) (например, защита по отклонению регулируемого давления).
В высоковольтном преобразователе частоты используется векторное и скалярное управление асинхронными и синхронными электродвигателями. Использование векторного управления обеспечивает создание системы с эффективным использованием электродвигателя по мощности и с минимальными пульсациями электромагнитного момента электродвигателя.