Модульное высоковольтное электротехническое устройство

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники, в частности, к устройствам управления электрическими двигателями малой и высокой мощности.
Параллельное подключение частотных преобразователей требуется для управления двигателями с высокой выходной мощностью (например 500-600 кВт), поскольку благодаря имеющимся силовым компонентам мощность отдельных частотных преобразователей существенно меньше, а в случае выполнения частотного преобразователя необходимой мощности в моноблочном исполнении, габариты его корпуса значительно превышают стандартные размеры транспортных средств, что требует применения специализированной подъемной техники и не всегда является возможным в сложных условиях эксплуатации технологического оборудования.
Важным аспектом в эксплуатации модульного высоковольтного электротехнического оборудования является синхронизация работы модулей устройства, обеспечение оптимальной скорость обмена информацией и оперативность реакции на аварии.
Неравномерное распределение управляющих сигналов между модулями устройства приводит к сбоям в их работе и остановке технологического процесса.
Из патента на полезную модель РФ № 133212 от 10.10.2013, МПК F04B49/00 известен высоковольтный модульный привод для управления установкой электроцентробежного насоса. Привод выполнен в виде блок-бокса, на крыше которого предусмотрены приспособления для строповки, разделенного на три изолированных отсека с дверями с физической защитой друг от друга. Устройство снабжено складывающейся шахтой с токопроводящими шинами, с приемной траверсой, проходными изоляторами, конструкцией высоковольтного разъединителя с ручным приводом. В первом высоковольтном отсеке с дверями содержится понижающий трансформатор. Во втором низковольтном отсеке с дверями расположены распределительный щит, фильтрокомпенсирующее устройство, станция с частотным преобразователем или управлением прямого или плавного пуска электродвигателя. В третьем высоковольтном отсеке с дверями содержится повышающий трансформатор, который имеет вывод для подключения высоковольтного погружного двигателя электроцентробежного насоса.
К недостаткам технического решения можно отнести значительные габариты устройства, что усложняет его транспортировку. Также размещение большого количества высоковольтного оборудования в едином корпусе требует применения сложной системы охлаждения.
Из патента на изобретение США № US6989650B2 от 24.01.2006, МПК H02P4/00 известна система управления двигателем переменного тока, имеющим заданную мощность, содержащая:
- множество встроенных систем управления двигателем переменного тока, каждая из которых имеет номинальную мощность ниже, чем мощность электродвигатель переменного тока. При этом каждый из указанных интегрированных модулей содержит входную выпрямительную секцию, отсек подключений, секцию выходного инвертора и секцию контроллера;
- параллельный контроллер, сопряженный с каждым интегрированным контроллером системы управления, генерирующий управляющие сигналы общей, трехфазной, переменной частоты.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести применение интерфейсов с низкой скоростью передачи данных, а также сложноподчиненную систему контроллеров управления инверторными модулями, что может привести к несинхронной работе модулей.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание модульного высоковольтного электротехнического устройства удобного в эксплуатации, выполненного с обеспечением синхронной работы модулей, повышенной скоростью обмена информацией и реакции на аварийные ситуации.
Технический результат, достигнутый от реализации полезной модели заключается в оптимизации синхронной работы инверторных модулей электротехнического устройства.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что один из, по меньшей мере, двух инверторных модулей выполнен ведущим и содержит контроллер верхнего уровня с подчиненным ему контроллером  низшего уровня. Контроллер низшего уровня формирует сигналы управления преобразователями частоты ведущего и, по меньшей мере, одного ведомого модулей с передачей управляющего сигнала при помощи средств дублирования сигнала, интегрированных в оптическую линию связи ведущего и ведомого модулей. Указанные средства дублирования сигнала выполнены с возможностью преобразования электрического сигнала в оптический и обратно, при этом управляющий сигнал в ведущем модуле дублируется и подается на принимающие устройства ведомого модуля.
Согласно предпочтительному варианту реализации, изолированные инверторные модули оснащены синусными фильтрами, на выходе которых установлены датчики тока и напряжения связанные с контроллером низшего уровня инверторного модуля. Контроллер низшего уровня ведомого модуля связан непосредственно с контроллером верхнего уровня ведущего инверторного модуля.
Также каждый изолированный инверторный модуль содержит датчики температуры, тока и напряжения, при этом контроллер нижнего уровня ведомого инверторного модуля выполнен с возможно сбора и обработки данных с датчиков температуры, тока и напряжения с последующей передачей в контроллер верхнего уровня посредством оптической и проводной линий связи.
Сущность заявляемого технического решения поясняется, но не ограничивается следующими графическими материалами:
фиг.1 – модульное высоковольтное электротехническое устройство, общий вид;
фиг.2 – ведущий/ведомый модуль, вид спереди;
фиг.3 – ведущий/ведомый модуль, вид сзади;
фиг.4 – отсек подключений;
фиг.5 – блок-схема модульного высоковольтного электротехнического устройства.
Заявляемое модульное высоковольтное электротехническое устройство, включает, по меньшей мере, два изолированных инверторных модуля, ведущего 1 (фиг.1,5) и ведомого 2 схожей конструкции, заключенных в сварной корпус 3 с двусторонним доступом. Корпус инверторного модуля установлен на рамном основании 4, которое содержит элементы заземления 5. Внутри корпуса расположена система управления 6, силовые автоматы 7, силовой блок содержащий дроссели звена постоянного тока 8, блоки преобразователя частоты 9, а также выходной синусный фильтр, установленный в нижней части 10 станции. Расположение элементов синусного фильтра в нижней части устройства смещает центр тяжести и обеспечивает устойчивость конструкции.
Доступ внутрь инверторного модуля обеспечивается через двери 11, установленные на фронтальной и задней стороне корпуса, которые оснащены системой фиксации в открытом положении и системой защиты от несанкционированного доступа, содержащей элементы электромеханической блокировки, в частности магнитоконтактные датчики. Также внутри корпуса устройства предусмотрена система автоматического поддержания температуры с термоэлектрическими элементами 12 предназначенная для обеспечения запуска в условиях низких температур и система охлаждения с, по меньшей мере, одним вентиляторным модулем (на изображениях не показан).
На фронтальной стороне устройства размещена панель управления 13 (фиг.2) с интерфейсным микропроцессорным контроллером (МК) 14 верхнего уровня, автоматическими выключателями цепей управления, а также индикаторами световой сигнализации состояния устройства.
МК верхнего уровня содержит высокоскоростные оптические порты для связи с контроллерами 16, 17 низшего уровня (показаны на фиг. 5) с целью приема/передачи управляющих сигналов и сигналов обратной связи.
Связь между инверторными модулями реализована посредством блоков электроники 18 (фиг.4) содержащих, оптический адаптер 19 систем управления установленных в отсеках подключения 20 (фиг.3,4) доступ к которым возможен с задней стороны корпуса (фиг.3). Указанные блок электроники также содержат средства 21 (фиг.4,5) дублирования сигнала выполненные с возможностью преобразования электрического сигнала в оптический и обратно при этом, управляющий сигнал в ведущем модуле дублируется и подается на принимающее устройство 22 ведомого модуля.
Инверторные модули устройства выполнены с возможностью обмена данными, посредством оптической линии 23 связи и подключены параллельно нагрузке 24, такой как асинхронный либо вентильный электродвигатель высокой мощности.
1
Исходя из блок-схемы (фиг. 5) один из, по меньшей мере, двух инверторных модулей выполнен ведущим 1 и содержит контроллер 14 верхнего уровня с подчиненным ему контроллером 16 низшего уровня, который формирует сигналы управления преобразователями частоты 9, 9 ведущего 1 и, по меньшей мере, одного ведомого 2 модулей с передачей управляющего сигнала при помощи средств дублирования 21 и приема 22 сигнала, интегрированных в оптическую линию 23 связи ведущего и ведомого модулей.
Изолированные инверторные модули оснащены синусными фильтрами 10, на выходе которых установлен блок 24 датчиков тока и напряжения связанных с контроллером 16,17 низшего уровня инверторного модуля, при этом контроллер 17 низшего уровня ведомого модуля 2 связан непосредственно с контроллером 14 верхнего уровня ведущего инверторного модуля 1.
Также в заявляемом устройстве, каждый изолированный инверторный модуль содержит блок 25 датчиков температуры, тока и напряжения, при этом контроллер 17 нижнего уровня ведомого инверторного модуля 2 выполнен с возможно сбора и обработки данных с указанных датчиков с последующей передачей в контроллер 14 верхнего уровня посредством оптической 23 и проводной 26 линий связи.
Описанное устройство может работать, по меньшей мере, в двух режимах «ручном» - без возможности автоматического повторного включения нагрузки после срабатывания защит и «автоматическом» - с возможностью автоматического повторного включения нагрузки и по задаваемой временной программе. Во всех режимах работы, заявляемое устройство обеспечивает следующие способы управления выходной частотой:
ручное управление частотой,
программное управление частотой,
поддержание заданного значения тока (регулятор тока).
Исходя из технологических особенностей эксплуатации и для устранения возможных нештатных ситуаций во время пуска, в устройстве предусмотрены режимы пуска: «плавный», «с синхронизацией», «толчковый», «с раскачкой», «расклинивание».
Согласно одному из возможных вариантов реализации, заявляемое техническое решение работает следующим образом. После нажатия кнопки «Пуск» на панели управления контроллера 14 верхнего уровня, установленного в инверторном модуле 1, устройство начинает работать в «ручном» режиме, затем устройство переводят в «автоматический» режим.
1
В процессе работы электротехнического устройства интерфейсный микропроцессорный контроллер 14 (МК) верхнего уровня управляет работой подключенных к нему периферийных устройств и подчиненных контроллеров 16,17 (IND) низшего уровня управления преобразователями частоты 9, 9 ведущего и, по меньшей мере, одного ведомого инверторных модулей. Также МК верхнего уровня отрабатывает «быстрые аварии», требующие реакции в течении одного такта широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
1
Управляющий сигнал ШИМ сформированный контроллером 16 низшего уровня ведущего инверторного модуля 1 поступает на преобразователи частоты 9, 9 ведущего и ведомых модулей посредством оптической линии 23 связи, причем оптимальная синхронизация работы ускорение передачи данных между инверторными модулями обеспечивается посредством дублирующего РСМ и приемного РСС модулей интегрированных в оптическую линию связи ведущего и ведомого модулей.
Контроллеры ведущего и ведомого модулей обеспечиваю сбор и обработку сигналов с датчиков температуры токов и напряжений с последующей передачей в МК верхнего уровня. При этом контроллер нижнего уровня ведомого инверторного модуля обеспечивает сбор и обработку данных с датчиков с последующей передачей в контроллер верхнего уровня через интерфейс связи RS485, а сигналы «быстрых аварий» -  посредством оптической линий связи 23.
Реализация заявляемого технического решения способствует достижению указанного технического результат, обеспечивая синхронную работу инверторных модулей, повышая тем самым срок эксплуатации управляемого оборудования, в частности электродвигателей. Также описанное выполнение устройства обеспечивает удобство транспортировки и эксплуатации, без необходимости привлечения специализированных транспортных средств. Заявляемое устройство обеспечивает возможность управления электродвигателями мощностью от 45 до 600 кВт, в частности асинхронными двигателями до 1800А и вентильными до 800А.