Трехуровневый преобразователь частоты
THREE-LEVEL FREQUENCY CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии.
Известен преобразователь частоты (патент RU 2414043 С1, класс Н02М 5/452, Н02М 7/5387, Н02М 7/5395, Н02М 1/12, Н02Р 27/08, H02J 3/36 26.03.2010 г., Бестрансформаторный преобразователь частоты для регулируемого средневольтового электропривода, Мустафа Георгий Маркович, Демчук Сергей Петрович, Сенов Юрий Михайлович, Ильинский Александр Дмитриевич, номер заявки 2010111413/07), содержащий входной выпрямитель, собранный по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя на последовательно соединенных тиристорах, конденсаторный делитель напряжения звена постоянного тока и трехфазный трехуровневый инвертор напряжения собранный по схеме с нулевой точкой.
Недостаток устройства заключается в том, что потенциал нулевой точки относительно плюсовой и минусовой шины конденсаторного делителя звена постоянного тока будет значительно изменяться ("плавать") в зависимости от изменения нагрузки фаз инвертора и алгоритма работы силовых ключей трехуровневого инвертора напряжения.
Известен преобразователь частоты на основе инвертора напряжения (патент CN 104702090 А, класс Н02М 1/32, 10.06.2015 г., Quick discharging method for bus capacitor of convertor, WU ZHIMENG; LIAO RONGHUI; WEN XIKAI; CAO XIAOSHENG; ZHAO CHUNMIN, номер заявки CN 2015111764720150317), содержащий конденсаторный делитель напряжения звена постоянного тока и трехфазный трехуровневый инвертор напряжения, причем параллельно каждому конденсатору делителя установлен резистор. Достоинством такой схемы является более равномерное распределение напряжений в звене постоянного тока и возможность разрядки конденсаторов после завершения работы преобразователя частоты.
Недостаток устройства заключается в том, что резисторы всегда находятся под напряжением при работе преобразователя частоты и на них происходит бесполезное рассеяние энергии выделяемой в виде тепла, что снижает КПД преобразователя частоты и энергетическую эффективность всего электропривода.
Известно устройство преобразователя частоты (патент RU 2411629 С1, класс Н02М 7/527, Н02М 7/538, Н02М 7/53862, Н02Р 27/08 19.10.2009 г., Многоуровневый транзисторный преобразователь частоты для управления электродвигателем переменного тока, Шепелин Виталий Фёдорович, Донской Николай Васильевич, Селивестров Николай Валерьевич, Визгина Елена Игоревна), содержащее трансформатор с шестью вторичными трехфазными обмотками, подключенными на шесть однофазных преобразователей частоты подключенных своими выходами по два последовательно, причем три такие фазы двух последовательно соединенных инверторов соединены одним выводом между собой, а другим выводом каждый на свою фазу трехфазного электродвигателя. Достоинством такой схемы является формирование высокого качества напряжения на выходе инвертора максимально приближенного по форме к синусоидальному.
Недостатком данного преобразователя частоты является наличие большого числа однофазных преобразователей частоты и силовых полупроводниковых ключей, а также сложного многообмоточного трансформатора напряжения содержащего большое количество вторичных обмоток. К недостаткам такого преобразователя частоты можно также отнести сложную, разветвленную систему управления.
Наиболее близким по технической сущности является преобразователь частоты (патент CN 201057634 U, Three power level integrated intermediate and high voltage frequency convertor, Zhi Yang, Jian Wu, Xiaojun Guo, класс H02M 5/44, H02M 5/458, H02M 1/12, H02M 1/14, 23.02.2006 г.), содержащий входной силовой трехфазный трехобмоточный трансформатор две вторичные обмотки которого соединены одна звездой другая треугольником и подключенные на трехфазные двухполупериодные неуправляемые выпрямители напряжения соединенные своими выходами последовательно и организующими трехуровневый источник постоянного напряжения, к которому подключен трехуровневый инвертор напряжения, собранный по схеме с нулевой точкой на полностью управляемых тиристорах. Достоинством такой схемы являются фиксированные уровни напряжения звена постоянного тока, зависящие от уровня напряжения вторичных обмоток трансформатора. К достоинствам известного преобразователя также можно отнести снижение уровня пульсации напряжения звена постоянного тока, за счет организации двенадцатипульсной схемы выпрямления.
Недостатком известной схемы является наличие сложного, габаритного и дорогого трехобмоточного силового трансформатора рассчитанного на полную мощность электропривода, а так же то, что трехуровневый инвертор напряжения реализован на полностью управляемых тиристорах имеющих ограничение по частоте коммутации и как следствие ограничение частоты формируемого напряжения на выходе преобразователя частоты.
Задачей предлагаемого изобретения является исключение силового трансформатора и равномерное распределение напряжений звена постоянного тока с фиксацией уровней напряжения звена постоянного тока, определяемого уровнем напряжения источника питания.
Решение поставленной задачи позволит исключить дорогой и габаритный силовой трансформатор из схемы преобразователя частоты, а так же повысить надежность, эффективность и улучшить массогабаритные и эксплуатационные характеристики. При необходимости согласования уровней напряжения источника питания с требуемым уровнем питающего напряжения преобразователя частоты может быть установлен простой трехфазный двухобмоточный трансформатор.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в трехуровневом преобразователе частоты, содержащем систему управления, источник трехфазного переменного напряжения, трехфазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель напряжения, конденсаторы звена постоянного тока и трехуровневый инвертор напряжения, причем первый конденсатор подключен  первым выводом на плюсовую шину звена постоянного тока, а вторым выводом на нулевую шину звена постоянного тока, второй конденсатор подключен первым выводом на нулевую шину звена постоянного тока, а вторым выводом на минусовую шину звена постоянного тока, входные шины трехуровневого инвертора напряжения подключены к соответствующим выводам звена постоянного тока, а выход трехуровневого инвертора напряжения подключен на нагрузку предусмотрены следующие отличия: трехфазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель напряжения своим входом подключен к фазным выводам источника трехфазного переменного напряжения, а своим плюсовым выводом подключен к плюсовой шине звена постоянного тока, минусовой вывод трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения подключен к минусовой шине звена постоянного тока, а нулевой вывод источника трехфазного переменного напряжения подключен к нулевой шине звена постоянного тока.
Кроме того, трехуровневый преобразователь частоты может содержать трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения собранный на полууправляемых силовых ключах-тиристорах.
Кроме того, трехуровневый преобразователь частоты может дополнительно содержать три дросселя каждый из которых включен последовательно между фазой источника трехфазного переменного напряжения и входом трехфазного двухполупериодного выпрямителя напряжения, который собран на полностью управляемых силовых ключах - транзисторах, каждый из которых содержит антипараллельно подключенный диод.
Кроме того, трехуровневый преобразователь частоты может содержать источник переменного напряжения и двухполупериодный выпрямитель напряжения, выполненные многофазными, причем каждая фаза многофазного источника переменного напряжения соединена со своим входом полумоста многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения.
Кроме того, трехуровневый преобразователь частоты может содержать трехфазный двухобмоточный трансформатор напряжения, причем трехфазная первичная обмотка трансформатора подключена своими выводами к выводам источника трехфазного переменного напряжения, а вторичная обмотка трансформатора соединена звездой и фазные выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к входам трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения, а нулевая точка вторичной обмотки трансформатора соединена с нулевой шиной звена постоянного тока. Сущность изобретения поясняется чертежами.
Трехуровневый преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, источник трехфазного переменного напряжения 2, трехфазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель напряжения 3, конденсаторы 4, 5 звена постоянного тока и трехуровневый инвертор напряжения 6. Первый конденсатор 4 подключен первым выводом на плюсовую шину 7 звена постоянного тока, а вторым выводом на нулевую шину 8 звена постоянного тока, второй конденсатор 5 подключен первым выводом на нулевую шину 8 звена постоянного тока, а вторым выводом на минусовую шину 9 звена постоянного тока. Входные шины трехуровневого инвертора напряжения 6 подключены к соответствующим выводам звена постоянного тока, а выход трехуровневого инвертора напряжения 6 подключен на нагрузку 10. Трехфазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель напряжения 3 своим входом подключен к фазным выводам источника трехфазного переменного напряжения 2, а своим плюсовым выводом подключен к плюсовой шине 7 звена постоянного тока. Минусовой вывод трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения 2 подключен к минусовой шине 9 звена постоянного тока. Нулевой вывод источника трехфазного переменного напряжения 2 подключен к нулевой шине 8 звена постоянного тока.
Трехуровневый преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 2, содержит трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 3 собранный на полууправляемых силовых ключах-тиристорах 11, 12, 13, 14, 15, 16.
Трехуровневый преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 3, дополнительно содержит три дросселя 17, 18, 19 каждый из которых включен последовательно между фазой источника трехфазного переменного напряжения 2 и входом трехфазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 3, который собран на полностью управляемых силовых ключах - транзисторах 20, 21, 22, 23, 24, 25, каждый из которых содержит антипараллельно подключенный диод 26, 27, 28, 29, 30, 31.
Трехуровневый преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 4, содержит источник переменного напряжения 2 и двухполупериодный выпрямитель напряжения 3 выполненные многофазными. Каждая фаза многофазного источника переменного напряжения 2 соединена со своим входом полумоста 32-1÷32-n многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 3.
Трехуровневый преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 5, содержит трехфазный двухобмоточный трансформатор напряжения 33. Трехфазная первичная обмотка трансформатора 33 подключена своими выводами к выводам источника трехфазного переменного напряжения 2. Вторичная обмотка трансформатора 33 соединена звездой, и фазные выводы вторичной обмотки трансформатора 33 подключены к входам трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения 3. Нулевая точка вторичной обмотки трансформатора 33 соединена с нулевой шиной 8 звена постоянного тока.
Работа трехуровневого преобразователя частоты происходит следующим образом. При подключении преобразователя частоты (Фиг. 1) к источнику переменного напряжения 2 в звене постоянного тока формируются два уровня постоянного напряжения на двух конденсаторах 4, 5. При этом среднее значение минимально возможного напряжения на конденсаторах 4, 5 определяется коэффициентом схемы выпрямителя напряжения 3 по напряжению и уровнем напряжения источника переменного напряжения 2. А максимально возможное напряжение на конденсаторах 4, 5 определяется величиной емкости конденсаторов 4, 5, и величиной нагрузки 10. В данном варианте схемы изображенной на Фиг. 1 на конденсаторе 4 и катодной группе диодов трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения 3 относительно нулевой шины 8 организован трехфазный однополупериодный выпрямитель напряжения. При этом на конденсаторе 5 и анодной группе диодов трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения 3 относительно нулевой шины 8 организован так же трехфазный однополупериодный выпрямитель напряжения. При этом число пульсации напряжения на периоде сетевого напряжения источника переменного напряжения 2 на конденсаторе 4 будет равно трем, как и число пульсации напряжения на периоде сетевого напряжения источника переменного напряжения 2 на конденсаторе 5. Число пульсации напряжения на периоде сетевого напряжения источника переменного напряжения 2 на двух последовательно соединенных конденсаторах 4 и 5 будет равно шести. Уровни напряжения на конденсаторах будут находиться в диапазоне, зависящем от уровня напряжения источника переменного напряжения 2, величины нагрузки 10, алгоритма работы трехуровневого инвертора напряжения 6 и величины емкости конденсаторов 4 и 5. Среднее значение напряжения на последовательно соединенных конденсаторах 4, 5 и на каждом в отдельности конденсаторах 4 и 5 будет находиться в диапазоне
где
ф2
U - действующее значение фазного напряжения источника переменного напряжения 2;
4
U - среднее значение напряжения на конденсаторе 4;
5
U - среднее значение напряжения на конденсаторе 5;
4+5
U - среднее значение напряжения на последовательно соединенных конденсаторах 4 и 5.
Трехуровневый инвертор напряжения 6 может быть реализован на схеме как с нулевой точкой так и на Т - образной схеме трехуровневого инвертора напряжения. Работа трехуровневого инвертора напряжения 6 происходит известным способом и не требует специальных пояснений.
фазн. ампл
Таким образом, используя новую связь между нулевым выводом источника трехфазного переменного напряжения 2 и нулевой шиной 8 звена постоянного тока, удалось организовать трехуровневый источник постоянного напряжения для корректной работы трехуровневого инвертора напряжения 6. На Фиг. 6 представлены осциллограммы напряжений на конденсаторах 4, 5 и суммарное напряжение на конденсаторах 4 и 5 при параметрах источника питания U=100 В, f=50 Гц, С=1000 мкФ, эквивалентная нагрузка на каждое из плечи звена постоянного тока 100 Ом.
Трехуровневый преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 2 позволяет регулировать уровень напряжения в звене постоянного тока на конденсаторах 4 и 5 ниже уровня напряжения получаемого от трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения 3 изображенного на Фиг. 1. Такое регулирование возможно изменением угла фазового управления полууправляемых силовых ключей - тиристоров 11, 12, 13, 14, 15, 16 (Фиг. 2). При этом работа трехуровневого инвертора напряжения 6 происходит известным способом и не требует дополнительных пояснений.
Трехуровневый преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 3 позволяет регулировать уровень напряжения в звене постоянного тока на конденсаторах 4 и 5 выше уровня напряжения получаемого от трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения 3 изображенного на Фиг. 1. Такое регулирование возможно благодаря применению дросселей 17, 18, 19 и применению полностью управляемых силовых ключей - транзисторов 20, 21, 22, 23, 24, 25 которые организуют режим накопления энергии в дросселях 17, 18, 19 с последующей передачей этой энергии через диоды 26, 27, 28, 29, 30, 31 на конденсаторы 4 и 5. Данный процесс аналогичен работе активного выпрямителя напряжения но с дополнительной организацией нулевой точки и трехуровневого источника постоянного напряжения в звене постоянного тока. Таким образом, данная схема трехуровневого преобразователя частоты (Фиг. 3) позволяет исключить из силового канала трансформатор напряжения и сохранить те же эксплуатационные характеристики, как и у прототипа, а так же позволяет расширить его функциональные возможности.
Трехуровневый преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 4 позволяет снизить уровень пульсации напряжения на конденсаторах 4 и 5, а так же снизить уровень пульсации напряжения между плюсовой шиной 7 и минусовой шиной 9 звена постоянного тока. Увеличение числа пульсации напряжения на периоде сетевого напряжения на конденсаторах 4 и 5 удалось реализовать благодаря многофазной схеме источника переменного напряжения 2 и многофазной схеме двухполупериодного выпрямителя напряжения 3. Такая схема (Фиг. 4) позволяет реализовать трехуровневый источник постоянного напряжения с минимальным уровнем пульсации напряжения без использования сложных трансформаторных схем и сложного соединения выпрямителей.
Для согласования уровней напряжения источника переменного напряжения 2 и напряжения питания трехуровневого преобразователя частоты и нагрузки 10 между источником переменного напряжения 2 и входом трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения 3 может быть установлен трехфазный двухобмоточный трансформатор напряжения 33 (Фиг. 5). При этом нулевая точка вторичной обмотки трансформатора 33 должна быть соединена с нулевой шиной 8 звена постоянного тока. Такое схемное решение позволит согласовать уровни напряжения источника переменного напряжения 2 и напряжения питания трехуровневого преобразователя частоты и нагрузки 10, а также обеспечить гальваническую развязку между ними.
Таким образом, введение новой связи между нулевым выводом источника трехфазного переменного напряжения 2 и нулевой шиной 8 звена постоянного тока удалось организовать трехуровневый источник постоянного напряжения, уровни напряжения которого определяются уровнем напряжения источника переменного напряжения 2, величиной нагрузки 10, алгоритмом работы трехуровневого инвертора напряжения 6 и величиной емкости конденсаторов 4 и 5 и не могут быть ниже минимального значения определенного коэффициентом схемы по напряжению выпрямителей напряжения.
Таким образом, предлагаемый трехуровневый преобразователь частоты позволяет исключить сложный трехобмоточный трансформатор и один трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, а также улучшить функциональные возможности, повысить надежность работы, снизить вес, габариты и стоимость трехуровневого преобразователя частоты.