УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ МАТРИЧНОГО КАСКАДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
DEVICE FOR PROTECTION OF MATRIX CASCADE FREQUENCY CONVERTER

Область техники
Настоящее изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники, в частности к матричным преобразователям частоты непосредственного типа (НПЧ) для регулирования высоковольтных электродвигателей переменного тока большой мощности.
Уровень техники
Известно устройство управления 3-фазного двухзвенного НПЧ, построенного на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью с использованием программного метода адаптивной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), описанное в [1; 2].
В указанных преобразователях частоты в качестве устройств компенсации реактивных (индуктивных) токов питающей сети при коммутации ключей IGBT-модулей как на частоте сети, так на частоте ШИМ, в т.ч. в аварийных ситуациях при ошибках коммутации, используются батареи конденсаторов, подключенные к входным зажимам НПЧ. Такое решение задачи приводит к дополнительным потерям электроэнергии, т.е. к снижению к.п.д. в нормальных режимах НПЧ.
Более близким по техническому решению к заявляемому устройству является способ и устройство защиты матричного однокаскадного НПЧ на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью и высокочастотной ШИМ, описанное в [3] (аналог). В указанном устройстве используется достаточно сложный программный способ защиты, в алгоритме которого имеются стадии выявления ошибки коммутации, а затем реализации самой защиты, требующие соответствующего программирования. Однако такой способ защиты сам по себе подвержен воздействию ошибок и сбоям программирования.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью и высокочастотной ШИМ, описанное в [4] (прототип).
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображена блок-схема известного матричного каскадного преобразователя частоты (МКПЧ) непосредственного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ [5] и предлагаемого устройства его защиты.
sa
sb
sc
В представленной блок-схеме на фиг.1 используются следующие обозначения: 1 - силовая часть МКПЧ; 2 - микропроцессорная система управления (СУ); 3 - волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС); 4 - каскад (матрица); 5 - контактор; 6 - потенциально изолированные 3-фазные источники питания (вторичные обмотки трансформатора); 7 - блок устройства защиты; 8 - плата преобразователя оптического; 9 - плата преобразователя опто-сигналов; 10 - плата обратного преобразования опто-сигналов; 11 - устройство управления контактором; U, U, U - напряжения питающей сети.
Каждый каскад (матрица) 4 МКПЧ построен по мостовой 3-фазной схеме, в каждом плече которого используются управляемые ключи IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью. На фиг.2 изображена электрическая схема одного каскада (матрицы) 4 и схема одного блока устройства защиты 7.
В представленной схеме (фиг.2) одного каскада 4 МКПЧ, построенного по мостовой 3-фазной схеме, используются следующие обозначения:
tm
tm
tm
ta
tb
tc
d
d
d
d
4.1 - управляемые ключи IGBT-модулей в каждом плече; 4.2 - платы драйверных устройств; 7.1 - 3-фазный выпрямитель; 7.2 - датчик тока; 7.3 - пороговый элемент (варистор); 7.4 - компенсирующий конденсатор; 7.5 - балластный резистор; V, i, L, где (m=а, b, с), - напряжения, токи и собственные индуктивности фаз вторичной обмотки трансформатора 6; ΔU, ΔU, ΔU - перенапряжения в фазах вторичной обмотки трансформатора 6; ~U, i, R, L - выходные напряжение, ток и параметры эквивалентной нагрузки одного каскада 4.
На фиг.3 изображен общий вид конструкции с двумя блоками устройства защиты 7.
Раскрытие изобретения
Предлагаемое устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты по сравнению с прототипом [4] характеризуется более гибким процессом реализации защиты и обеспечивает существенное повышение работоспособности МКПЧ при возникновении аварийной ситуации.
Указанный технический результат достигается за счет того, что при возникновении аварийной ситуации в каком-либо каскаде происходит отключение только аварийного каскада и его шунтирование. Причем остальные каскады будут продолжать функционировать в прежнем режиме, сохраняя работоспособность МКПЧ в целом.
Предлагаемое устройство защиты m-фазного (А; В; С) матричного n-каскадного преобразователя частоты (фиг.1), состоящего из силовой части 1, микропроцессорной системы управления (СУ) 2 и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) 3, включает в себя n×m блоков устройства защиты 7, каждый из которых соединен с 3-фазными входными зажимами одного из каскадов 4 МКПЧ.
В состав каждого блока устройства защиты 7 входит (фиг.2) 3-фазный выпрямитель 7.1, выход которого через датчик тока 7.2 и пороговый элемент (варистор) 7.3 соединен с компенсирующим конденсатором 7.4, шунтированным балластным резистором 7.5.
2ta
2tb
2tc
Выходы датчиков тока 7.2 каждого блока устройства защиты 7 соединены с платой преобразователя оптического 8, которая в свою очередь по каналам ВОЛС 3 подключена к микропроцессорной СУ 2, формирующей опто-сигналы на включение и выключение управляемых ключей IGBT-модулей 4.1. Микропроцессорная СУ 2 по каналам ВОЛС 3 через платы преобразователей опто-сигналов 9 соединена с платами драйверных устройств 4.2, обладающих функцией собственной защиты управляемых ключей IGBT-модулей 4.1 от токов (i; i; i) при перегрузках и коротких замыканиях (к.з.).
Кроме того, микропроцессорная СУ 2 (фиг.1) по каналам ВОЛС 3 соединена с платой обратного преобразования опто-сигналов 10, выход которой подключен к устройству управления контактором 11.
Предлагаемое устройство защиты работает следующим образом.
Если во время нормальной работы в каком-либо каскаде 4 МКПЧ (фиг.2) возникает аварийная ситуация по одной из следующих причин:
- из-за программной ошибки в алгоритме или из-за обрыва в цепях формирования или канализации сигналов управляемых ключей IGBT-модуля 4.1;
- из-за ложного включения управляемых ключей IGBT-модуля 4.1 в результате наведенной электромагнитной помехи;
- из-за возникших токов перегрузки или токов к.з. во входной или выходной цепи,
то происходит срабатывание собственной защиты платы драйверного устройства 4.2, следовательно, управляемые ключи одного из IGBT-модулей 4.1 выключаются и входная цепь этого каскада 4 оказывается разомкнутой.
2ta
2tb
2tc
ta
tb
tc
ta
tb
tc
2ta
2tb
2tc
В результате разрыва цепи входных токов (i; i; i) собственные индуктивности (L; L; L) потенциально изолированного 3-фазного источника питания (вторичной обмотки трансформатора) 6 вызывают всплеск перенапряжений (ΔU; ΔU, ΔU). При превышении перенапряжений уровня, определяемого пороговым элементом (варистором) 7.3, входные токи (i; i; i) замыкаются по цепи: 3-фазный выпрямитель 7.1 - датчик тока 7.2 - пороговый элемент 7.3 - компенсирущий конденсатор 7.4 - балластный резистор 7.5.
Возникший электрический сигнал на выходе датчика тока 7.2 поступает на плату преобразователя оптического 8, которая формирует опто-сигнал и по каналу ВОЛС 3 передает его в микропроцессорную СУ 2. Последняя в соответствии с программой ее работы формирует опто-сигналы на постоянное включение всех плеч на управляемых ключах IGBT-модулей 4.1 аварийного каскада 4, которые по каналам ВОЛС 3 поступают на платы драйверных устройств 4.2, осуществляя шунтирование данного каскада 4 МКПЧ.
Кроме того, микропроцессорная СУ 2 (фиг.1) одновременно формирует опто-сигнал на выключение контактора 5 аварийного каскада 4 МКПЧ. Указанный опто-сигнал по каналам ВОЛС 3 поступает на плату обратного преобразования опто-сигналов 10 в электрический сигнал, воздействующий на устройство управления 11 одного из контакторов 5, отключающего аварийный каскад 4 МКПЧ от потенциально изолированного 3-фазного источника питания 6.
Таким образом, если возникает аварийная ситуация в каком-либо каскаде 4 МКПЧ хотя бы по одной из вышеперечисленных причин, то по сигналу блока устройства защиты 7 произойдет шунтирование аварийного каскада 4 и его отключение от потенциально изолированного 3-фазного источника питания 6. Причем остальные каскады будут продолжать функционировать в прежнем режиме, сохраняя работоспособность МКПЧ в целом.
Осуществление изобретения
Конструктивно предлагаемое устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты изготовлено в виде отдельных плат, на каждой из которых размещены по два блока устройства защиты 7 по схеме фиг.2.
На фиг.3 изображен общий вид конструкции с двумя блоками устройства защиты 7, установленной в шкафу опытного образца матричного каскадного преобразователя частоты по схеме фиг.1, предназначенного для питания гребного электродвигателя переменного тока высокого напряжения мощностью до 1,0 МВт.
Таким образом, устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты, содержит в каждой m-фазе силовой части n-каскадов (матриц) 3-фазных мостовых схем, каждое плечо которого построено на управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью, причем входные зажимы каждого каскада посредством контакторов подключены к (m×n) потенциально изолированным 3-фазным источникам питания (вторичным обмоткам трансформаторов), микропроцессорную систему управления (СУ), формирующую опто-сигналы для драйверных устройств, осуществляющих включение, выключение и токовую защиту управляемых ключей IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью указанных каскадов, состоящее из (m×n) блоков устройства защиты с компенсирующими конденсаторами, каждый из которых посредством 3-фазного выпрямителя подключен к входным зажимам одного из указанных каскадов, причем в составе каждого блока устройства защиты содержатся датчик тока и пороговый элемент (варистор), включенные последовательно с компенсирующим конденсатором, шунтированным балластным резистором.
Выходы датчиков тока через платы преобразователей оптических соединяют с микропроцессорной СУ, которая при возникновении аварийной ситуации в каком-либо каскаде обеспечивает по сигналу от датчика тока постоянное включение всех плеч данного каскада, тем самым шунтируя его, и выключение контактора на его входных зажимах, тем самым отключая потенциально изолированный 3-фазный источник питания данного каскада.
Литература
1. Устройство и способ управления обратимым преобразователем энергии переменного тока в энергию переменного тока. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А. и др. Патент РФ № 2265947 С2, кл. H02M 5/27 от 09.07.2002.
2. Способ преобразования частоты. Шрейнер Р.Т., Кривовяз В.К. и др. Патент РФ № 2269860 С2, кл. Н02М 5/16 от 16.09.2003.
3. Method and apparatus for protecting PWM cycloconverter. Sawa Toshihiro... Патент Японии № 1154552, кл. Н02М 5/27 от 14.11.2001.
4. Устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты. Скворцов Б.А. Патент РФ № 2475930 С1, кл. Н02М 5/27 от 20.06.2011.
5. Устройство формирования и регулирования напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты с высокочастотной синусоидальной ШИМ. Скворцов Б.А., Васин И.М., Махонин С.В., Богатырев Д.Е. Патент РФ № 2422975 С1, кл. Н02М 5/27 от 15.07.2010.