ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к области автоматизированного электропривода и преобразовательной техники и предназначена 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. // Силовая Электроника. 2008 №1, рис.1 на 44 стр.), выполненные на основе многоуровневых инверторов и 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.
Недостатками аналога являются повышенные массогабаритные и стоимостные показатели многообмоточного трансформатора ЧРП, стоимость которого при мощности более 1 МВТ составляет около 50% от стоимости электропривода.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению, и взятым за прототип, является трехфазный 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). Прототип (на фиг.1 приведена упрощенная функциональная схема указанного электропривода) содержит электродвигатель 1, энергетический модуль 2, состоящий из последовательно соединенных многообмоточного трансформатора 3, подключенного к промышленной сети 6 кВ, 50 Гц; регулируемого ПЧ 4 (ячейкового типа) и системы управления 5, выполненной на базе контроллера. Скорость электродвигателя 1 регулируется изменением частоты и напряжения на выходе энергетического модуля 2.
Недостатком прототипа являются большие габариты, масса и стоимость многообмоточного трансформатора и в целом ЧРП.
Технический результат заявляемого решения - снижение массогабаритных и стоимостных показателей ЧРП.
Технический результат достигается тем, что в высоковольтный частотно-регулируемый электропривод, содержащий электродвигатель и энергетический модуль, состоящий из последовательно соединенных многообмоточного трансформатора, регулируемого преобразователя частоты и системы управления, введен нерегулируемый преобразователь высокой частоты, содержащий инвертор напряжения, выходом соединенный с первичной обмоткой многообмоточного трансформатора, выполненного высокочастотным; конденсатор фильтра, выпрямительный блок, вход которого, предназначен для подсоединения к промышленной сети, например, через трехфазный реактор. Нерегулируемый преобразователь высокой частоты содержит корректор коэффициента мощности. Высокочастотный многообмоточный трансформатор и нерегулируемый преобразователь высокой частоты выполнены в однофазном или трехфазном исполнении.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется рисунком. На фиг.2 приведена обобщенная функциональная схема предлагаемого устройства, где приняты следующие обозначения:
1 - электродвигатель;
2 - энергетический модуль;
3 - многообмоточный трансформатор;
4 - регулируемый преобразователь частоты;
5 - система управления;
6 - нерегулируемый преобразователь высокой частоты;
7 - выпрямительный блок;
8 - конденсатор фильтра;
9 - инвертор напряжения, выполненный, например, на тиристорах;
10 - реактор трехфазный (или три однофазных);
Параметры:
1
f - частота на выходе нерегулируемого преобразователя высокой частоты,
2
f - частота на выходе регулируемого преобразователя частоты;
U - напряжение на выходе регулируемого преобразователя частоты;
у
U - напряжение управления на входе системы управления.
Заявляемое устройство содержит электродвигатель 1, энергетический модуль 2, в который входит последовательно соединенные многообмоточный трансформатор 3, регулируемый преобразователь частоты 4, система управления 5. Многообмоточный трансформатор 3 выполнен высокочастотным, а его первичная обмотка подсоединена к нерегулируемому преобразователю высокой частоты 6, состоящему из выпрямительного блока 7, конденсатора фильтра 8 и инвертора напряжения 9, вход выпрямительного блока 7 нерегулируемого преобразователя высокой частоты 6 предназначен для подсоединения к промышленной сети, например, через реактор трехфазный 10. Нерегулируемый преобразователь высокой частоты содержит корректор коэффициента мощности, который введен, например, в выпрямительный блок 7. Высокочастотный многообмоточный трансформатор 3 и нерегулируемый преобразователь высокой частоты 6 выполнены в однофазном или трехфазном исполнении.
Полезная модель работает следующим образом.
Энергетический модуль 2 получает напряжение питания через многообмоточный трансформатор 3 от нерегулируемого преобразователя высокой частоты 6. Данное напряжение вырабатывается путем выпрямления блоком 7 сетевого напряжения с частотой 50 Гц и его преобразования инвертором напряжения 9 в высокую частоту, например, 1000 Гц (выпрямительный блок 7 выполняется, например, на относительно недорогих однооперационных тиристорах).
Нерегулируемый преобразователь высокой частоты 6 подключается к питающей сети через реактор трехфазный 10, который предназначен в основном для ограничения т.к.з. Мощность реактора трехфазного 10 выбирается из условия:
, где
p
S - мощность реактора трехфазного;
I - ток фазы реактора 10;
k
e [%] - напряжение к.з. реактора 10, которое соизмеримо с аналогичной величиной для многообмоточного трансформатора 3 прототипа (фиг.1) и составляет величину около 5%.
k
Следует отметить, что при одинаковых значениях e=5% и тока I (для многообмоточного трансформатора и реактора), мощность многообмоточного трансформатора 3
TP
S=3I·U
в 20 раз выше, чем у реактора (где U - фазное напряжение сети).
2
Напряжение с выхода инвертора 9 поступает на высокочастотный многообмоточный трансформатор 3, который через вторичные обмотки распределяет его в схему регулируемого преобразователя высокой частоты 4. Регулируемый преобразователь частоты 4 может выполняться по различным трехфазным схемам и для регулирования скорости электродвигателя 1 вырабатывает переменную частоту, например, f=О-50 Гц и переменное напряжение U, например, от нуля до 3 кВ или 6 кВ. При этом скорость электродвигателя 1 изменяется пропорционально указанной частоте. Система управления 5 обеспечивает реализацию требуемого алгоритма управления за счет одновременного изменения частоты и напряжения, например, по закону
.
1
За счет высокой частоты f габариты и расход активных материалов высокочастотного многообмоточного трансформатора 3, определяемые произведением числа витков W на поперечное сечение магнитопровода Q при заданной его мощности, резко сокращаются:
, где
m
B - максимальная рабочая индукция в магнитопроводе.
Высокочастотный многообмоточный трансформатор 3 и инвертор напряжения 9 могут быть как однофазного, так и трехфазного исполнений.
Следует заметить, что в сложных ЧРП большой мощности, например, ячейкового типа, вместо одного могут быть введены, например, три нерегулируемых преобразователя высокой частоты и три многообмоточных трансформатора меньшей мощности, соответственно соединенные между собой, ячейками регулируемого преобразователя частоты и промышленной сетью.
Благодаря введению в устройство нерегулируемого преобразователя высокой частоты и подсоединения его через реактор к промышленной сети и к высокочастотному многообмоточному трансформатору, выполненному, например, на 1000 Гц достигается снижение массогабаритных и стоимостных показателей устройства. Наличие в нерегулируемом преобразователе высокой частоты корректора коэффициента мощности позволяет повысить коэффициент мощности устройства в целом, что обеспечит лучшее использование по мощности электропривода.