МАТРИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Область техники, которой относится полезная модель.
Настоящая полезная модель относится к области полупроводниковой преобразовательной техники, в частности, к преобразователям частоты непосредственного типа (НПЧ) для регулирования электродвигателей переменного тока малой и средней мощности.
Уровень техники.
Известно устройство матричного многокаскадного преобразователя частоты непосредственного типа CIMR-MX1S мощностью 900 кВт с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), описанное в [1] (аналог).
В известном устройстве каждая из трех фаз силовой преобразовательной части состоит из n последовательно соединенных каскадов. Каждый каскад, построенный на управляемых силовых IGBT-ключах с двухсторонней проводимостью, соединенных по мостовой 3-х фазной схеме, изготовлен в виде съемного модуля.
Каждый каскад питается от потенциально изолированной вторичной трехфазной обмотки многообмоточного трансформатора [1]. Формирование выходного напряжения каждой фазы осуществляется суммированием выходных напряжений n последовательно соединенных каскадов (съемных модулей) с использованием программного метода высокочастотной синусоидальной ШИМ.
Конструктивно каждая фаза размещается в отдельном отсеке общего шкафа НПЧ, габаритные размеры которого вместе с трансформатором составляют 2400×3400×1200. Воздушное охлаждение каждой фазы, состоящей из n каскадов, осуществляется вертикальным потоком воздуха посредством одного вентилятора, расположенного в верхней части отдельного отсека шкафа (централизованное воздушное охлаждение).
уд.
3
Модульное исполнение каскадов в сочетании с централизованным воздушным охлаждением каждой фазы улучшает количественный показатель ремонтопригодности, который измеряется средним временем восстановления его работоспособности (ГОСТ 27.002-2015). Однако другой технический показатель конструкции НПЧ, а именно показатель удельного объема, ухудшается, достигая значения V≅5,76 дм/кВт без учета трансформатора.
Известен матричный каскадный преобразователь частоты с ШИМ выходного напряжения мощностью 900 кВт [2] (аналог).
Указанный матричный каскадный преобразователь частоты с высокочастотной синусоидальной ШИМ выходного трехфазного напряжения, выполненный по многокаскадной схеме, аналогичной устройству [1], размещается в трех - по количеству выходных фаз - силовых шкафах с габаритными размерами 2100×800×800.
уд.
3
В матричном каскадном преобразователе частоты [2] за счет применения более рационального объемного монтажа компонентов силовой части в сочетании с распределенной системой воздушного охлаждения, при которой обычно используются вентиляторы для охлаждения каждого или группы силовых элементов внутри конструкции, достигается по сравнению с аналогом [1] уменьшение удельного объема до величины V≅4,48 дм/кВт. Однако при этом ухудшается показатель ремонтопригодности конструкции, который составляет не менее 12 человек-часов из-за возникающих неудобств при замене неисправных компонентов силовой части.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является устройство однокаскадного матричного преобразователя частоты (МПЧ) с ШИМ выходного напряжения типа Varispeed АС модель: CIMR-ACA4022 мощностью 22 кВт, описанное в [3] на стр. 1-2 и на стр. 1-6 (фиг. 1.4).
В указанном МПЧ каждая из трех фаз, построена на управляемых силовых IGBT-ключах с двухсторонней проводимостью, размещается на тыльной стороне одного общего радиатора с вертикально расположенными ребрами охлаждения.
Конструктивно общий радиатор с силовыми элементами в сочетании с объемным монтажом остальных компонентов МПЧ размещается в задней части устройства с габаритными размерами 725×360×300.
Централизованное воздушное охлаждение осуществляется вертикальным потоком воздуха, создаваемым двумя вентиляторами осевого типа, расположенными над ребрами общего радиатора в верхней его части.
уд.
3
За счет рационального размещения компонентов в указанном МПЧ обеспечивается существенное улучшение показателя удельного объема (V≅3,56 дм/кВт). Однако показатель ремонтопригодности имеет сравнительно большое численное значение и составляет 10 человек-часов из-за необходимости разборки корпуса МПЧ при замене компонентов силовой части.
Задачей предложенного технического решения полезной модели матричного преобразователя частоты (МПЧ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения является существенное улучшение количественного показателя ремонтопригодности при сохранении или даже улучшении его удельного объемного показателя.
Поставленная задача решается за счет того что в матричном преобразователе частоты с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения, состоящем из трех выходных фаз (А, В, С) силовой части, каждая из которых включает в себя силовые IGBT-ключи с двухсторонней проводимостью, драйверные устройства, радиаторы, вентиляторы воздушного охлаждения, из микропроцессорной системы управления, из пульта местного управления и источника вторичного электропитания, имеются следующие отличия - силовые IGBT-ключи с двухсторонней проводимостью, драйверные устройства, радиаторы, вентиляторы каждой из трех выходных фаз силовой части выполнены в виде съемного модуля с внутренним горизонтальным каналом в составе распределенной системы воздушного охлаждения.
Техническое решение предложенной полезной модели состоит в том, что силовые IGBT-ключи с двухсторонней проводимостью каждой из трех выходных фаз (съемный модуль) размещены на тыльных сторонах двух радиаторов, установленных ребрами навстречу друг другу.
Съемный модуль образует взаимозаменяемую конструкцию с внутренним горизонтальным каналом и двумя вентиляторами воздушного охлаждения, установленными по торцам. В качестве одного из них (входного) используется вентилятор осевого типа, а другого (выходного) - вентилятор радиального типа с патрубком для выхода нагретого воздуха, направленным вертикально вверх.
Конструктивно съемные модули с внутренними горизонтальными каналами наряду с объемным монтажом остальных компонентов полезной модели размещены один под другим по линии трех вертикальных шин, с которыми они пофазно соединяются с внешней сетью электропитания, в шкафу с габаритными размерами 1405×600×500 мм.
Воздушное охлаждение силовых IGBT-ключей с двухсторонней проводимостью, размещенных на тыльных сторонах радиаторов, осуществляется распределенной системой воздушного охлаждения, в составе которой горизонтальные потоки воздуха во внутреннем канале каждого из них создаются двумя вентиляторами, установленными по торцам.
уд.
3
За счет более рационального размещения силовых IGBT-ключей с двухсторонней проводимостью в сочетании с распределенной системой их воздушного охлаждения обеспечивается улучшение по сравнению с прототипом количественного показателя ремонтопригодности (не более 8 человек-часов) при одновременном улучшении удельного объемного показателя (V≅3,2 дм/кВт).
Раскрытие полезной модели.
Предложенная полезная модель матричного преобразователя частоты с ШИМ выходного трехфазного напряжения мощностью в пределах от 70 кВА до 160 кВА размещается в стандартном шкафу с размерами 1405×600×500.
В каждой из трех фаз силовые IGBT-ключи с двухсторонней проводимостью размещаются на тыльных сторонах двух радиаторов. Оба радиатора монтируются ребрами навстречу друг другу, образуя взаимозаменяемую конструкцию в виде съемного модуля с внутренним горизонтальным каналом и двумя вентиляторами, установленными по торцам. Причем в качестве одного из них (входного) используется вентилятор осевого типа, а другого (выходного) - вентилятор радиального типа с патрубком для выхода нагретого воздуха, направленным вертикально вверх.
Конструктивно съемные модули с внутренними горизонтальными каналами размещаются в шкафу один под другим по линии трех вертикальных шин, с которыми они пофазно соединены с внешней сетью электропитания.
Воздушное охлаждение силовых IGBT-ключей с двухсторонней проводимостью, размещенных на съемных модулях, осуществляется распределенной системой воздушного охлаждения, в составе которой горизонтальные потоки воздуха во внутреннем канале каждого из них создаются вентиляторами, установленными по торцам.
уд.
3
Тем самым за счет более рационального размещения силовых IGBT-ключей с двухсторонней проводимостью каждой фазы в виде съемных модулей в сочетании с распределенной системой их воздушного охлаждения обеспечивается по сравнению с прототипом улучшение показателя ремонтопригодности при снижении удельного объемного показателя (V≅3,2 дм/кВт).
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлена блок-схема матричного преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения, каждая из трех фаз которого построена на силовых IGBT-ключах с двухсторонней проводимостью.
На фиг. 2 представлен чертеж общего вида предложенной полезной модели МПЧ с отображением компоновки элементов его конструкции.
На фиг. 3 изображен внешний вид опытного образца предлагаемой полезной модели.
Матричный преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения (фиг. 1) содержит съемные модули 1; микропроцессорную систему управления (МПСУ) 2; пульт местного управления (ПМУ) 3; источник вторичного электропитания 4; силовые IGBT-ключи с двухсторонней проводимостью 5, расположенные на тыльных сторонах радиаторов (на фиг. 1 не показано); датчики входных токов 6; индуктивно-емкостной фильтр 7; автоматический выключатель 8; датчики напряжения 9; датчики выходных токов 10; драйверные устройства 11; вентиляторы 12; вертикальные шины 13.
Осуществление полезной модели. Полезная модель матричного преобразователя частоты с ШИМ выходного напряжения (фиг. 1) состоит из силовой части, включающей в себя три - по количеству выходных фаз (А, В, С) - съемных модулей 1, из микропроцессорной системы управления (МПСУ) 2, пульта местного управления (ПМУ) 3 и источника вторичного электропитания 4.
Каждый съемный модуль 1 содержит шесть силовых IGBT-ключей 5 с двухсторонней проводимостью. Каждый силовой IGBT-ключ 5 с двухсторонней проводимостью состоит из двух полностью управляемых силовых IGBT-транзисторов, включенных встречно-параллельно.
Съемные модули 1 по входным цепям пофазно соединены между собой и через датчики входных токов 6, индуктивно-емкостной фильтр 7 посредством автоматического выключателя 8 подключены к внешней сети (L1, L2, L3) трехфазного электропитания. Кроме того, входные цепи съемных модулей 1 электрически соединены с датчиками напряжения 9.
Один из двух выходов съемных модулей 1 каждой фазы А, В, С соединен в общую точку с соседними фазами, а другие выходы по одному от каждой фазы через два датчика выходных токов 10 выведены наружу.
Выходы датчиков 6; 9; 10 соединены с МПСУ 2, которая посредством 36-ти электрических каналов соединена с 9-тью платами драйверных устройств 11, размещенных на съемных модулях 1. Причем на каждом съемном модуле 1 установлено по три платы драйверных устройств 11, которые управляют шестью силовыми IGBT-ключами 5 с двухсторонней проводимостью, и по два вентилятора 12.
Конструктивно все компоненты полезной модели размещены в шкафу с передним обслуживанием с габаритными размерами 1405×600×500 (фиг. 2).
В нижней части шкафа на металлических профилях установлены автоматический выключатель 8, индуктивно-емкостной фильтр 7 и датчики входных и выходных токов 6; 10, а также три вертикальные шины 13, прикрепленные к выходным зажимам автоматического выключателя 8, к входным зажимам которого подключена внешняя сеть трехфазного электропитания.
Съемные модули 1 с вентиляторами 12, установленными по торцам, размещены в шкафу с горизонтальным расположением внутренних каналов один под другим по линии трех вертикальных шин 13 (фиг. 2), с которыми они пофазно соединены (на рис. не показано). Причем забор холодного воздуха осуществляется из левого бокового канала шкафа, а выход нагретого воздуха производится в вертикальном направлении в правую боковую часть шкафа.
Охлаждение силовых IGBT-ключей 5 с двухсторонней проводимостью, размещенных на съемных модулях 1, осуществляется за счет распределенной системы воздушного охлаждения, в составе которой горизонтальные потоки воздуха во внутреннем канале каждого из них (на рис. не показано) создаются вентиляторами 12, установленными по торцам.
МПСУ 2 вместе с источником вторичного электропитания 4 и датчиками напряжения 9 размещены в пространстве за съемными модулями 1 на задней стенке шкафа (на фиг. 2 не показано).
С лицевой стороны шкафа на дверце установлен пульт местного управления (ПМУ) 3, обеспечивающий функции управления, контроля параметров и сигнализации.
Предлагаемая полезная модель МПЧ работает следующим образом.
Предварительно подается однофазное питание от внешней сети на источник вторичного электропитания 4. Затем по сигналу от ПМУ 3 через МПСУ 2 осуществляется включение автоматического выключателя 8, и трехфазное электропитание от внешней сети подается на входные цепи каждого съемного модуля 1. При этом МПСУ 2 формирует по заданному алгоритму управляющие сигналы, которые поступают на платы драйверных устройств 11 каждого съемного модуля 1.
Драйверные устройства 11 осуществляют формирование электрических импульсов управления на включение и выключение силовых IGBT-ключей 5 с двухсторонней проводимостью каждого съемного модуля 1 с одновременным обеспечением их защиты от перегрузок и максимальных токов.
Электрические аналоговые сигналы о текущем состоянии МПЧ, поступающие от датчиков напряжения 9, датчиков входных 6 и датчиков выходных токов 10 (фиг. 1), передаются в МПСУ 2. Далее на основе полученной информации МПСУ 2 формирует необходимые алгоритмы ШИМ управляющих сигналов, обеспечивающие в схемах каждого съемного модуля 1 режимы выпрямления и/или инвертирования с характеристиками открытого и закрытого состояния силовых IGBT-ключей 5 с двухсторонней проводимостью по аналогии с [2].
При этом алгоритмы ШИМ управляющих сигналов обеспечивают необходимый уровень, частоту и параметры качества напряжения и тока на выходе каждой фазы. Далее напряжение каждой фазы через два датчика выходных токов 10 поступает на выходные зажимы А, В, С полезной модели.
При выходе из строя или сбое в работе одного из съемных модулей МПСУ 2 прекращает подачу управляющих сигналов на все силовые IGBT-ключи 5 каждого съемного модуля 1 и осуществляет отключение МПЧ от внешней сети посредством автоматического выключателя 8. Затем осуществляется восстановление работоспособности полезной модели за минимальное время посредством операции замены неисправного съемного модуля из комплекта ЗИП, которая выполняется существенно быстрее по сравнению с аналогичным случаем в прототипе.
Предложенная полезная модель реализована в виде опытного образца матричного преобразователя частоты с ШИМ выходного напряжения (фиг. 3), предназначенного для регулирования асинхронных электродвигателей мощностью в пределах от 50 кВт до 130 кВт.
Таким образом, предлагаемая полезная модель за счет применения съемных модулей с распределенной системой воздушного охлаждения позволяет существенно улучшить количественный показатель ремонтопригодности при сохранении или даже улучшении его удельного объемного показателя, что выгодно отличает ее от прототипа.
Литература.
1. Матричный каскадный преобразователь частоты типа CIMR-MX1S на IGBT-модулях с высокочастотной ШИМ и с рекуперацией энергии для высоковольтного электропривода переменного тока мощностью до 6,0 МВА. [Электрон, ресурс] / Сайт «Yaskawa Electric Corporation» (Япония), 2007 г.
2. Матричный каскадный преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения. Скворцов Б.А. Патент РФ на полезную модель №109935 от 04.04.2011.
3. Varispeed AC, model: CIMR-ACA4022 400 V Class 5.5 to 22 kW (10 to 36 kVA). Matrix converter for Environmentalle Friendly motor drives; Instruction Manual. Матричный преобразователь частоты с минимальными искажениями для приводов с электродвигателями. Руководство по эксплуатации. «Yaskawa Electric Corporation».