ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к областям автоматизированного электропривода и преобразовательной техники и предназначена для регулирования скорости асинхронных и синхронных электродвигателей (ЭД) переменного тока.
Из уровня техники известны высоковольтные частотно-регулируемые электроприводы (далее ЧРП) на напряжение 6, 10 кВ в диапазоне мощностей 400-12000 кВт серии ПЧТЭ-ТВ фирмы JB Plus s.r.o. (Бару А.Ю., Педан Е.А., Поповский В.А., Шиндес Ю.Л., Твердохлеб И.Б. «Частотно-регулируемый электропривод как универсальное средство управления насосными агрегатами». Материалы XIII Международной научно-технической конференции «ГЕРВИКОН-2011», 6-9 сентября 2011, СумГУ, г. Сумы, Украина, с. 1-19), выполненные на основе автономного инвертора тока. В состав ЧРП входят входной и выходной согласующие трансформаторы, управляемые выпрямители, сглаживающие дроссели и автономные инверторы тока. Выполнены по 12-кратной или 24-кратной пульсности схемы выпрямления переменного тока.
Недостатки аналога - повышенные массогабаритные и стоимостные показатели ЧРП.
Так же известен высоковольтный ЧРП с многоуровневым ПЧ типа Perfect Harmony WCIII фирмы ООО «Siemens» (А.Г. Иванов, М.А. Шеляховский, С.А. Фомин «Современные решения «SIEMENS» в области мощных высоковольтных электроприводов». Регулируемый электропривод. Опыт и перспективы применения. Доклады научно-практического семинара, 2 февр. 2006., Москва. - М.: Издательство МЭИ, 2006, с. 72-75) на основе многоуровневого инвертора напряжения. Высоковольтный частотно-регулируемый электропривод содержит исполнительный механизм, электродвигатель, трансформатор и высоковольтный преобразователь частоты.
Данный аналог наиболее близок по технической сущности к предполагаемой полезной модели и принят за прототип.
Недостатком данного аналога являются:
- невозможность переключения питания электродвигателя от высоковольтного преобразователя частоты на сеть и обратно.
Задача полезной модели заключается в повышении эффективности работы высоковольтного частотно-регулируемого электропривода.
Технический результат выражается в применении многоуровневого инвертора напряжения с выходным напряжением 10 кВ, для питания электродвигателя переменного тока напряжением 10 кВ и применением векторной бездатчиковой системы управления скоростью электродвигателя, обеспечивающего необходимую точность поддержания скорости ЭД.
Задача решается, технический результат достигается за счет того, что высоковольтный частотно-регулируемый электропривод содержит исполнительный механизм, электродвигатель, трансформатор и высоковольтный преобразователь частоты, причем высоковольтный преобразователь частоты напряжением 10 кВ, мощностью 2500 кВт включает в себя многообмоточный трансформатор и многоуровневый инвертор напряжения, а высоковольтный преобразователь частоты установлен в блок-контейнере и содержит четыре шкафа: шкаф многообмоточного трансформатора, два шкафа многоуровневого инвертора напряжения и шкаф тормозных резисторов.
Многообмоточный трансформатор представляет собой трансформатор класса сухой изоляции 10/0,69 кВ, содержащий собранный сердечник с единственной первичной обмоткой и 27 аксиально-раздельными вторичными обмотками, и имеет встроенные термодатчики с высоковольтной изоляцией.
На двери шкафа многообмоточного трансформатора установлен контроллер с возможностью отображать на мониторе контроллера температуру трансформатора.
В нижней части шкафа установлены четыре тангенциальных вентилятора, а на дверях шкафа многообмоточного трансформатора установлены три осевых вентилятора с возможностью обеспечения воздушного охлаждения многообмоточного трансформатора.
Многоуровневый инвертор напряжения установлен в двух шкафах многоуровневого инвертора напряжения, содержащий 27 силовых ячеек, каждая из силовых ячеек многоуровневого инвертора напряжения преобразователя запитана от вторичных обмоток многообмоточного трансформатора трехфазного переменного напряжения 690 В и состоит из выпрямителя (полууправляемого), фильтра (пленочных конденсаторов) и однофазного инвертора на IGBT транзисторах, с возможностью создания 54-кратной пульсности схемы выпрямления переменного тока, и формирования сглаженной синусоидальной формой потребляемого из сети тока.
Проведенные испытания разработанного высоковольтного частотно-регулируемого электропривода напряжением 10 кВ, мощностью 2500 кВт в течение 1057 часов при отсутствии отказов, подтвердили высокий уровень надежности и эффективности ЧРП. В то-же время он характеризуется простотой в обслуживании и эксплуатации.
Полезная модель поясняется (фиг. 1 - фиг. 7).
На фиг. 1 представлена схема высоковольтного частотно-регулируемого электропривода на напряжение 10 кВ.
На фиг. 2 - силовая ячейка многоуровневого инвертора напряжения.
На фиг. 3 - осциллограммы входного/выходного токов и напряжений.
На фиг. 4 - функциональная схема терминала управления.
На фиг. 5 - обобщенная блок-схема системы векторного управления асинхронного электродвигателя.
На фиг. 6 - функциональная схема блока формирования вектора-напряжения.
На фиг. 7 - осциллограммы токов и напряжений в режиме синхронного перехода на сеть.
На фигурах приняты обозначения:
1 - питающая сеть 10 кВ;
2 - многообмоточный трансформатор;
3 - многоуровневый инвертор напряжения;
4 - электродвигатель.
Высоковольтный преобразователь частоты напряжением 10 кВ, мощностью 2500 кВт включает в себя многообмоточный трансформатор 2 и многоуровневый инвертор напряжения 3.
В отличие от прототипа в высоковольтном преобразователе частоты применяется 54-кратная пульсность схемы выпрямления переменного тока (в прототипе только 36-кратная), что позволяет формировать сглаженную синусоидальную форму потребляемого из сети тока.
Высоковольтный преобразователь частоты напряжением 10 кВ, мощностью 2500 кВт высоковольтный преобразователь частоты установлен в блок-контейнере и содержит четыре шкафа: шкаф многообмоточного трансформатора, два шкафа многоуровневого инвертора напряжения и шкаф тормозных резисторов.
Многообмоточный трансформатор 2 установлен в шкафу многообмоточного трансформатора и представляет собой трансформатор класса сухой изоляции 10/0,69 кВ. В отличие от прототипа он имеет собранный сердечник с единственной первичной обмоткой и 27 аксиально-раздельными вторичными обмотками (в прототипе 18 вторичных обмоток). Он предназначен для преобразования напряжения и предохранения электродвигателя 4 (трехфазный электродвигатель переменного тока напряжением 10 кВ) от режима синфазного напряжения. Изоляционный материал обмоток трансформатора классифицируются температурой 220°C. Для контроля температуры фазы и стали трансформатор имеет встроенные термодатчики с высоковольтной изоляцией. Температура трансформатора отображается на мониторе контроллера, установленного на двери шкафа многообмоточного трансформатора, и передается в цифровом виде в терминал управления электропривода. При достижении температуры 100°C формируется предупреждающий сигнал, а при температуре 110°C происходит аварийное отключение преобразователя.
В отличие от прототипа, имеющего жидкостное охлаждение, разработанный преобразователь высоковольтного частотно-регулируемого электропривода напряжением 10 кВ, мощностью 2500 кВт имеет воздушное охлаждение. Для обеспечения его охлаждения используются тангенциальные вентиляторы, установленные в нижней части шкафа многообмоточного трансформатора. На дверях шкафа многообмоточного трансформатора установлены три осевых вентилятора, которые обеспечивают подачу воздуха из помещения внутрь.
Многоуровневый инвертор напряжения 3 установлен в двух шкафах многоуровневого инвертора напряжения, содержащий 27 силовых ячеек (на фиг. 1 обозначены A1-A9, B1-B9, C1-С9). Каждая из силовых ячеек многоуровневого инвертора напряжения преобразователя запитана от вторичных обмоток многообмоточного трансформатора трехфазного переменного напряжения 690 В и состоит из выпрямителя (полууправляемого), фильтра (пленочных конденсаторов) и однофазного инвертора на ЮВТ транзисторах (фиг. 2). Силовые ячейки многоуровневого инвертора напряжения идентичны друг другу и установлены на конструкции вынимаемого шасси для отключения и локального ремонта. Модульная конструкция однофазного инвертора предполагает среднее время ремонта 30 минут. Ячейки взаимозаменяемы. При чем для отключения необходимо отключить 5 соединительных проводов и 2 кабеля волоконной оптики.
Производительность высоковольтного частотно-регулируемого электропривода достигается благодаря использованию модульной конструкции многоуровневого инвертора напряжения 3. Для получения напряжения 10 кВ используются последовательно соединенные низковольтные силовые однофазные инверторы на IGBT транзисторах (фиг. 2) - силовых ячеек многоуровневого инвертора напряжения. Силовые ячейки многоуровневого инвертора напряжения управляются по принципу широтно-импульсной модуляции. Каждая фаза электродвигателя 4 управляется девятью силовыми ячейками многоуровневого инвертора напряжения 3, соединенными последовательно, для формирования выходного напряжения 10 кВ. Группы силовых ячеек соединяются по схеме "звезда", с плавающей нейтралью. Питание подается на каждую ячейку через изолированную вторичную обмотку многообмоточного трансформатора 2. Каждая из 27 вторичных обмоток многообмоточного трансформатора 2, номинальное значение напряжения на которых составляет 690 В переменного тока, обеспечивает 1/27 общей мощности. Силовые ячейки многоуровневого инвертора напряжения 3 и вторичные обмотки многообмоточного трансформатора 2 изолированы друг от друга. Фактическое значение напряжения можно регулировать в диапазоне от нуля до номинального значения. Силовая ячейка многоуровневого инвертора напряжения 3 является законченным функциональным узлом с реализацией защит от:
- коротких замыканий;
- перегрева IGBT модуля;
- повышения напряжения в звене постоянного тока;
- понижения напряжения в звене постоянного тока;
- обрыва фазы на входе ячейки многоуровневого инвертора напряжения.
Все силовые ячейки многоуровневого инвертора напряжения 3 получают команды от терминала управления. Эти команды поступают на силовые ячейки многоуровневого инвертора напряжения 3 через волоконно-оптический кабель. Вторичные обмотки многообмоточного трансформатора 2, по которым подается питание в многоуровневый инвертор напряжения 3 в каждой выходной фазе, служат для получения угла сдвига фаз между ними. Это нейтрализует большинство гармонических токов, вырабатываемых отдельными силовыми ячейками многоуровневого инвертора напряжения 3. Таким образом токи первичной обмотки многообмоточного трансформатора 2 становятся синусоидальными (фиг. 3).
Выпрямитель (фиг. 2), на который подается 690 В переменного тока с вторичной обмотки многообмоточного трансформатора 2, выполняет зарядку фильтров (пленочных конденсаторов) постоянного тока до 1012 В постоянного тока. Постоянное напряжение подается на однофазный Н-мост однофазного инвертора.
Для осуществления режима динамического торможения высоковольтного частотно-регулируемого электропривода напряжением 10 кВ, мощностью 2500 кВт применяются тормозные резисторы, установленные в шкафу тормозных резисторов.
Работа предложенного устройства.
Микропроцессорная система управления высоковольтного частотно-регулируемого электропривода напряжением 10 кВ, мощностью 2500 кВт состоит из функциональных блоков - блоков датчиков тока и напряжения (на фиг. не показаны) и терминала управления (фиг. 4), состоящего из:
- блока питания - БП;
- блока оптического ввода/вывода связи с инвертором - БОВВ СИ;
- блока оптического ввода/вывода связи с датчиками - БОВВ СД;
- блока цифрового управления - ЦБУ;
- блока терминальный - БТ;
- блока дискретного ввода/вывода (количество блоком в соответствии с заказом) - БДВВ;
- блока пульта управления на базе промышленного компьютера;
- кросс-платы.
Микропроцессорная система управления высоковольтного частотно-регулируемого электропривода напряжением 10 кВ, мощностью 2500 кВт поддерживает контроль, конфигурирование, диагностику и управление независимо от реализованного способа управления, обеспечивая связь с элементами высоковольтного частотно-регулируемого электропривода.
Блок оптического ввода/вывода связи с датчиками преобразует полученные от датчиков цифровые пакеты данных по интерфейсу в оптические. Процессорный модуль блока цифрового управления выполняет функции управления двигателем и формирует команды на блок оптического ввода/вывода связи с инвертором.
Управляющие пакеты включают в себя коммутационную функцию для двадцати семи силовых ячеек многоуровневого инвертора напряжения 3 и дополнительные сигналы управления, общие для всех ячеек многоуровневого инвертора напряжения 3. Причем пакеты обратной связи в блок цифрового управления от силовых ячеек многоуровневого инвертора напряжения 3 включают в себя общий контроль состояния ячейки многоуровневого инвертора напряжения 3, исправности отдельных IGBT транзисторов, величину напряжения в звене постоянного тока силовой ячейки многоуровневого инвертора напряжения 3, контроль завершения заряда фильтра (пленочных конденсаторов) и температуру кристаллов IGBT транзисторов. Кроме того, процессорный модуль блока цифрового управления контролирует входные напряжения и токи для обеспечения функции измерения различных величин (например, коэффициента электрической мощности, входного питания и гармоник), обеспечивает защиту входа (от перегрузки, увеличения потребления реактивных токов, контроль напряжения и обрыв фазы), а также контролирует величину амплитуды входного и выходного напряжения, частоту и угол фазы для реализации режима синхронного перехода на сеть.
Аппаратный интерфейс между терминалом управления (фиг. 4) и платами силовых ячеек многоуровневого инвертора напряжения реализован по волоконно-оптической линии связи. Обмен данными с силовой ячейкой многоуровневого инвертора напряжения происходит по двум оптическим каналам.
В высоковольтном частотно-регулируемом электроприводе используется векторное управление асинхронными и синхронными двигателями. Использование векторного управления обеспечивает создание простой в использовании системы, которая сравнима с производительностью электродвигателя постоянного тока. Основными компонентами векторного управления (фиг. 5) являются следующие:
1. Адаптивный наблюдатель, который используется для определения потокосцепления и скорости двигателя.
2. Регуляторы тока (РТ), которые являются внутренними контурами.
3. Регуляторы потока (РП) и скорости (РС), которые являются внешними контурами.
4. Компенсаторы перекрестных связей используется для компенсации перекрестных возмущений в контуре скорости и контуре намагничивания в динамических режимах.
e
Управляемость во всем диапазоне регулирования частоты вращения электродвигателя высоковольтного частотно-регулируемого электропривода обеспечивается управлением электромагнитного момента электродвигателя. Управление электромагнитным моментом достигается за счет независимого управления его составляющих - потокосцепления ротора и тока статора (фиг. 5). Канал управления модулем потокосцепления ротора  строится двухконтурным с внутренним контуром управления по току намагничивания  и с внешним по модулю потокосцепления ротора эквивалентной двухфазной обобщенной машины. Канал управления угловой скоростью ротора содержит контуры управления - внутренние, по току статора  и электромагнитного момента T и внешний, по угловой скорости ротора.
s
r
s
Наблюдатель координат обеспечивает идентификацию угловой скорости ротора, электромагнитного момента, опорного вектора потока ротора, текущего значения угла поворота вектора потока ротора, относительно неподвижной системы координат по измеренным значениям тока и напряжения. Сумма электрической частоты вращения ротора и частоты поля ротора определяет частоту напряжения на статоре ω=ω+ω. Интегрирование этой величины дает текущее значение угла ϑ, которое используется в блоках  и  преобразователей координат прямого канала и канала обратного преобразования.
Формирование выходного напряжения преобразователя (блок PWM на схеме фиг. 5) осуществляется с помощью синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Принцип формирования напряжения фаз преобразователя показан на фиг. 6. Используются отдельные опорные пилообразные сигналы для каждого уровня силовых ячеек фазы преобразователя. Сдвигая несущий пилообразный сигнал на соответствующий уровень напряжения звена постоянного тока ячейки (блок 1), и сравнивая его с заданием на напряжение фазы (блок 2), получаем обобщенную коммутационную функцию для одной фазы преобразователя. При распределении коммутаций для отдельных силовых ячеек (блок 3) учитываются избыточные состояние силовых ячеек многоуровневого инвертора напряжения 3. Алгоритм позволяет уменьшить частоту коммутационной функции для отдельной силовой ячейки многоуровневого инвертора напряжения кратно их количеству в одной фазе высоковольтного преобразователя частоты.
Программное обеспечение высоковольтного преобразователя частоты гарантирует непрерывную диагностику функций управления высоковольтного частотно-регулируемого электропривода напряжением 10 кВ, мощностью 2500 кВт и отображение всех неисправностей высоковольтного частотно-регулируемого электропривода напряжением 10 кВ, мощностью 2500 кВт на панели управления. Высоковольтный преобразователь частоты обеспечивает максимальную защиту электродвигателя и безопасность в обслуживании благодаря широкому набору защит:
- от коротких замыканий внутри и на выходе высоковольтного преобразователя частоты;
- время-токовая защита;
- максимально-токовая защита;
- от перегрева многообмоточного трансформатора 2 и силовых ячеек многоуровневого инвертора напряжения 3, в том числе при исчезновении принудительной вентиляции;
- от перегрева электродвигателя;
- от перенапряжений высоковольтного преобразователя частоты;
- от исчезновения напряжения сети, в том числе от обрыва фазы;
- от недопустимого повышения и понижения напряжения сети;
- защита при отказе силовой ячейки многоуровневого инвертора напряжения 3 с одновременным ее шунтированием, понижением выходной мощности и сохранением регулирования электродвигателя;
- от открытия дверей шкафов.
Панельный персональный компьютер, входящий в состав терминала управления (на фиг. не показан) выполняет функции панели оператора высоковольтного преобразователя частоты, устраняет необходимость в использовании потенциометров и настроечных резисторов и обеспечивает:
- контроль состояния основных элементов;
- формирование журнала регистрации событий, тревог и действий оператора;
- ведение базы данных;
- просмотр и изменение параметров электродвигателя;
- предупредительная и аварийная сигнализация;
- формирование исторических трендов токов, линейных напряжений и скорости электродвигателей;
- управление пуском и задание скорости приводного электродвигателя;
- возможность осуществления обмена информацией с другими программными средствами, устанавливаемыми на этой же технической платформе, или по каналам связи.
ЧРП обеспечивает каскадное управление электродвигателями с переключением ЭД на питающую сеть или переключением ЭД, работающего от сети, на работу от преобразователя частоты. При этом система управления обеспечивает синхронный переход без динамических бросков тока на питающую сеть и электродвигатель и при отсутствии бросков динамического момента на механизм. Синхронный переход осуществляется при соответствии электродвижущей силы электродвигателя и питающей сети. Переходные процессы синхронизации и подхвата представлены на фигуре 7.
Применение предложенного устройства обеспечивает эффективность работы высоковольтного частотно-регулируемого электропривода за счет применения многоуровневого инвертора напряжения с выходным напряжением 10 кВ, для питания электродвигателя переменного тока напряжением 10 кВ и применением векторной бездатчиковой системой управления скоростью электродвигателя, обеспечивающей необходимую точность поддержания скорости ЭД, повышающей надежность работы электропривода, а также позволяющей ограничивать пусковые токи электродвигателей на допустимом уровне.