Ячейка высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты
Полезная модель направлена на создание ячейки высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты более простой конструкции, повышенной надежности.
Поставленная задача с достижением указанного технического результата достигается за счет того, что ячейка высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты содержащая неуправляемый мостовой выпрямитель, выполненный на шести диодах, к выходу которого подключена буферная цепь, состоящая из емкости, и однофазный инвертор, в виде управляемого моста, выполненный на четырех IGBT транзисторах и четырех, включенных встречно-параллельно этим транзисторам, диодов, а также байпасную цепь, подключенную между выходными выводами управляемого моста, которая выполнена на базе встречно-последовательного соединения двух IGBT-транзисторов и двух включенных встречно-параллельно этим транзисторам, диодах, причем эмиттеры двух IGBT-транзисторов байпасной цепи соединены между собой, а коллекторы обоих IGBT-транзисторов байпасной цепи подключены к выводам управляемого моста, а к входам неуправляемого мостового выпрямителя через предохранители подключена трехфазная сеть питающего трансформатора,
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в высоковольтных многоуровневых преобразователях частоты, применяемых в частотно-регулируемых приводах с электродвигателями и в различных источниках электропитания.
Каждая ячейка высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты (далее ячейка) представляет собой независимый источник переменного управляемого напряжения с возможностью работы с ШИМ. Ячейки соединяются последовательно в звенья, формируя фазу выходного напряжения.
Известно устройство для управления преобразователем частоты с многоуровневым инвертором напряжения, патент на полезную модель РФ 
52283, Н02М 7/515 опубл. 10.03.2006,
Ячейка инвертирования представляет собой элементарный преобразователь частоты, имеющим в своем составе выпрямитель и инвертор, а также байпасный вентильный мост, выполненный на четырех диодах, одна клемма входа которого подключена к точке последовательного соединения первого и третьего транзистора управляемого моста, другая - к точке последовательного соединения второго и четвертого транзисторов управляемого моста, а к выходным клеммам байпасного вентильного моста подключен управляемый тиристор, управляющий вход, которого подведен к информационному оптоволоконному разъему через блок согласования, с которым связаны также затворы транзисторов.
Основной недостаток предложенной схемы байпасной цепи, на базе полупроводниковых приборов - четырех диодных и одного тиристорного модуля - это сложность монтажа ячейки, что усложняет и токопроводящую систему. В патенте предложен алгоритм включения байпасной цепи дефектной силовой ячейки, основанный на одновременной подаче сигналов управления на открытие байпасного тиристора и открытие IGBT-транзисторов, расположенных в смежных плечах мостового инвертора напряжения ячейки. Включение вышеуказанных IGBT-транзисторов производится для снижения напряжения и соответственно потерь мощности в байпасной цепи. Однако если один из этих IGBT-транзисторов поврежден, осуществление данного алгоритма становится невозможным, надежность и эффективность байпасирования дефектного силового блока снижается, за счет увеличения потерь в байпасной цепи.
Известен, принятый за прототип, многофазный источник питания с многоуровневым подключением ячеек и байпасом поврежденной ячейки, патент US 5986909, опубл 21 мая 1998 г., МПК Н02М 5/458. Высокий уровень напряжения поддержан в источниках питания, состоящих из множества ячеек каждый, содержащих выпрямитель и инвертор. Дефектные ячейки в любом звене байпасируются, чтобы обеспечить путь тока через соответствующее звено. Все дефектные ячейки используются, для поддерживания равной величины между фазами и отношениями фаз в выходном напряжении от линии к линии. Изобретение может использоваться вместе со схемой подавления пикового напряжения, и выключателем байпаса. В патенте одна из предложенных схем байпасной цепи, выполнена на базе последовательно соединенных IGBT-транзисторов, причем соединение IGBT-транзисторов между собой осуществляется на коллекторах, а их эмиттеры подключены к выводам мостового инвертора напряжения ячейки.
Недостатком данной схемы является сложность системы управления IGBT-транзисторами за счет необходимости построения двух гальванически развязанных каналов управления на каждый IGBT-транзистор байпасной цепи.
Техническим результатом от использования полезной модели является упрощение конструкции ячейки, повышение надежности, уменьшение стоимости и снижение потерь.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет того, что ячейка высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты содержащая неуправляемый мостовой выпрямитель, выполненный на шести диодах, к выходу которого подключена буферная цепь, состоящая из емкости, и однофазный инвертор, в виде управляемого моста, выполненный на четырех IGBT транзисторах и четырех, включенных встречно-параллельно этим транзисторам, диодов, а также байпасную цепь, подключенную между выходными выводами управляемого моста, которая выполнена на базе встречно-последовательного соединения двух IGBT-транзисторов и двух включенных встречно-параллельно этим транзисторам, диодах, причем эмиттеры двух IGBT-транзисторов байпасной цепи соединены между собой, а коллекторы обоих IGBT-транзисторов байпасной цепи подключены к выводам управляемого моста, а к входам неуправляемого мостового выпрямителя через предохранители подключена трехфазная сеть питающего трансформатора,
Встречно-последовательное соединение IGBT-транзисторов с обратными диодами характеризуются высокими скоростями переключения и стойкостью к характеристикам входного тока и напряжения di/dt и du/dt, поэтому надежность функционирования байпасной цепи увеличивается, что соответственно приводит к увеличению надежности многоуровневого преобразователя частоты в целом.
В предложенной схеме байпасный режим ячейки осуществляется только открытием IGBT-транзисторов байпасной цепи, причем IGBT-транзисторы мостового инвертора напряжения дефектного силового блока закрываются. Таким образом, байпасирование ячейки произойдет даже если все IGBT-транзисторы мостового инвертора напряжения ячейки будут повреждены, при этом надежность высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты увеличивается.
В предложенной схеме полезной модели эмиттеры IGBT-транзисторов байпасной цепи объединены и находятся под одним потенциалом, отсутствует необходимость гальванической развязки между каналами управления этих IGBT-транзисторов. Это позволяет значительно упросить схему управления, снизить количество электронных элементов (на 30%) и тем самым упростить конструкцию ячейки, снизить потери и повысить надежность функционирования байпасной цепи ячейки. Компактность ячейки позволяет сократить стоимость всего преобразователя, а также значительно уменьшить занимаемую площадь и массу.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на Фиг. приведена электрическая схема ячейки высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты, которая содержит предохранители 1-3, включенными в цепи между входами ячейки А, В, С и входами неуправляемого мостового выпрямителя, выполненного на шести диодных модулях 4-9, к выходу которого подключена буферная цепь, состоящая из емкости 10 и однофазный инвертор в виде управляемого моста, выполненный на четырех IGBT-модулях с обратными диодами 11-14, между выходными выводами управляемого моста L1-L2 включена байпасная цепь, которая выполнена на базе двух встречно-последовательно соединенных IGBT-транзисторов с обратными диодами 15, 16, при этом эмиттеры двух IGBT-транзисторов байпасной цепи 15, 16 соединены между собой, а их коллекторы подключены к выходным выводам управляемого моста.
Пример работы ячейки реализует указанное назначение следующим образом.
После подачи переменного питающего трехфазного напряжения на входные выводы А, В, С ячейки с помощью диодов неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя 4-9 это напряжение выпрямляется и подается на емкостное звено 10, которое с помощью IGBT-транзисторов 11-14 мостового инвертора, преобразуется в переменное напряжение с ШИМ заданной частоты на выходах L1-L2.
В нормальном режиме работы IGBT-транзисторы 15, 16 байпасной цепи отключены. При возникновении неисправностей элементов ячейки, снижение выходного напряжения инвертора, перегрузки или других нештатных ситуаций, система управления фиксирует соответствующую неисправность и дает команду на отключение IGBT-транзисторов 11-14 инвертора и включение IGBT-транзисторов 15, 16 байпасной цепи, подачей управляющего сигнала по единой управляющей цепи на обединенные эмиттеры (на схеме не показана). После отключения IGBT-транзисторов 11-14 инвертора ячейка выводится из работы. Для поддержания напряжения на защищаемой нагрузке нагрузку переключают на обводную линию байпасной цепи, включением IGBT-транзисторов 15, 16 для питания непосредственно от сети. Для бесперебойной работы ток нагрузки многоуровневого преобразователя проходит через байпасные IGBT-транзисторы 15, 16, обеспечивая при этом непрерывную синусоиду выходного напряжения.
Таким образом, пример возможности осуществления заявляемой полезной модели, реализованный в соответствии с приведенным описанием и электрической схемой с байпасной цепью на основе IGBT-транзисторов, эмиттеры которых объединены и находятся под одним потенциалом, представляет собой надежное устройство ячейки высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты. За счет сокращения контактных соединений и применения модульных конструкций электронных элементов IGBT-транзисторов в байпасной цепи сокращаются потери напряжения и мощности при работе устройства в байпасном режиме, упрощается конструкция и экономится пространство в шкафу за счет значительного упрощения схемы управления и снижения количества электронных элементов гальванической развязки. Экономия массогабаритных показателей ячейки достигает 10%, а стоимость снижается на 31,5%.
Ячейка высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты, содержащая неуправляемый мостовой выпрямитель, выполненный на шести диодах, к выходу которого подключена буферная цепь, состоящая из емкости, и однофазный инвертор в виде управляемого моста, выполненный на четырех IGBT транзисторах и четырех включенных встречно-параллельно этим транзисторам диодов, а также байпасную цепь, подключенную между выходными выводами управляемого моста, которая выполнена на базе встречно-последовательного соединения двух IGBT-транзисторов и двух включенных встречно-параллельно этим транзисторам диодах, отличающаяся тем, что эмиттеры двух IGBT-транзисторов байпасной цепи соединены между собой, а коллекторы обоих IGBT-транзисторов байпасной цепи подключены к выводам управляемого моста, а к входам неуправляемого мостового выпрямителя через предохранители подключена трехфазная сеть питающего трансформатора.
