Матричный каскадный преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения

Предложена полезная модель матричного каскадного преобразователя частоты (МКПЧ) с ШИМ выходного напряжения, каждый каскад (матрица) которого построен на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью по мостовой схеме. Предложенная полезная модель МКПЧ по сравнению с прототипом обеспечивает уменьшение габаритных показателей при сохранении высоких параметров качества электроэнергии как со стороны питающей сети, так и на стороне электродвигателя. Указанный технический результат достигается за счет использования в шкафах силовой преобразовательной части объемного монтажа ее элементов в сочетании с распределенной системой принудительного воздушного охлаждения IGBT-модулей, а также уменьшением единичной мощности питающих многообмоточных трансформаторов. Полезная модель реализована в виде опытного образца, предназначенного для регулирования высоковольтного гребного электродвигателя большой мощности в системах электродвижения перспективных крупнотоннажных судов.

1. Область техники, которой относится полезная модель.

Настоящая полезная модель относится к области полупроводниковой преобразовательной техники, в частности, к непосредственным преобразователям частоты (НПЧ) для регулирования высоковольтных электродвигателей переменного тока большой мощности.

2. Уровень техники. Известно устройство управления 3-х фазного двухзвенного НПЧ, построенного на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью с использованием программного метода высокочастотной адаптивной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), описанное, например, в [1; 2].

Двухзвенный НПЧ на IGBT-модулях с высокочастотной ШИМ имеет недостаток, обусловленный наличием двух звеньев в цепи преобразования, что приводит к дополнительным потерям мощности и к снижению к.п.д.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство по схеме матричного каскадного НПЧ, описанное в [3] (прототип). В указанном преобразователе каждый каскад построен на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью, соединенных в виде матрицы по мостовой 3-х фазной схеме. Формирование выходного напряжения осуществляется суммированием напряжений отдельных каскадов с использованием программного метода высокочастотной синусоидальной ШИМ при питании от потенциально изолированных вторичных обмоток многообмоточного трансформатора.

В указанном НПЧ мощностью 900 кВт силовая преобразовательная часть в модульном исполнении в сочетании с централизованной системой принудительного воздушного охлаждения, один многообмоточный трансформатор и система управления размещены в шкафах с общими габаритными размерами 2900×3400×1200 и массой 4800 кг.

3. Раскрытие полезной модели.

Предлагаемая полезная модель матричного каскадного преобразователя частоты (МКПЧ) с высокочастотной синусоидальной ШИМ выходного напряжения, выполненного по схеме, аналогичной прототипу [3], обеспечивает по сравнению с ним уменьшение габаритных показателей за счет более рационального конструктивного размещения компонентов силовой части при сохранении высоких параметров качества электроэнергии как со стороны питающей сети, так и на стороне электродвигателя [4].

Указанный технический результат достигается использованием в шкафах силовой преобразовательной части объемного монтажа ее элементов в сочетании с распределенной системой принудительного воздушного охлаждения, а также уменьшением единичной мощности трансформаторов с соответствующим увеличением их количества при раздельном их размещении относительно шкафов силовой преобразовательной части.

4. Краткое описание чертежей.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображена блок-схема предлагаемого матричного 4-х каскадного преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения, каждый каскад (матрица) которого построен на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью по мостовой 3-х фазной схеме.

На фиг.2; 3 представлены чертежи общих видов силового шкафа преобразовательной части упомянутого МКПЧ мощностью 1000 кВт с отображением компоновки элементов его конструкции.

На фиг.4 изображен внешний вид силовых шкафов и шкафа системы управления опытного образца предлагаемой полезной модели.

5. Осуществление полезной модели.

Матричный n-каскадный преобразователь частоты с ШИМ выходного напряжения (фиг.1) состоит из m (А, В, С) фаз силовой части 1 и микропроцессорной системы управления (СУ) 2 с волоконно-оптическими линиями связи (ВОЛС) 3.

Каждая фаза силовой части 1 состоит из n каскадов мостовых 3-х фазных схем (матриц) 4, входы которых посредством вакуумных контакторов 5 попарно подключены к потенциально изолированным вторичным обмоткам [(m×n)/2k] трансформаторов 6, одна из которых соединена «звездой», а другая - «треугольником», где k - число пар вторичных обмоток на трансформаторе. Кроме того, одна из пар мостовых схем 4 по входу электрически соединена с двумя датчиками напряжения 7.

Оба выхода мостовых схем 4 каждой фазы соединены последовательно - согласно, один из которых через датчик фазного тока 8 выведен наружу, а другой соединен в общую точку с соседними фазами.

Выходы датчиков 7; 8 соединены с платами преобразователей оптических 9, которые в свою очередь по каналам ВОЛС 3 соединены с микропроцессорной СУ 2. Последняя по каналам ВОЛС 3 соединена с платами преобразователей опто-сигналов 10, которые в свою очередь по каналам ВОЛС 3 соединены с платами драйверных устройств 11 IGBT-модулей 12.

Конструктивно силовая часть 1 МКПЧ, кроме [(m×n)/2k] трансформаторов 6, которые располагаются отдельно, размещена в 3-х - по количеству выходных m фаз (А, В, С) - стандартных шкафах с размерами 2000×800×800 и массой 383 кг (фиг.2, 3).

Внутри каждого шкафа установлены три вертикальные панели 13; 14 из негорючего стеклопластика, на двух из которых 13 размещены IGBT-модули 12 мостовых схем 4, а на третьей передней панели 14 размещены платы преобразователей оптических 9 (фиг.3), преобразователей опто-сигналов 10, вторичных источников питания и другие элементы.

На каждой из вертикальных панели 13 с IGBT-модулями 12 (фиг.2) размещено по два каскада мостовых схем 4 и по два контактора 5. Непосредственно над корпусами IGBT-модулей 12 расположены платы драйверных устройств 11. На этой же стороне панелей 13 расположены также датчики напряжения 7 и тока 8.

С обратной стороны панелей 13 установлены радиаторы 15 для индивидуального воздушного охлаждения IGBT-модулей 12. Радиаторы 15 попарно заключены в вентиляционные короба, в каждом из которых установлено по одному вентилятору 16. Причем забор холодного воздуха осуществляется из боковых каналов, а выход нагретого воздуха - в средний канал распределенной системы принудительного воздушного охлаждения.

С лицевой стороны каждого шкафа на дверце 17 установлены приборы местного управления, контроля параметров и сигнализации.

СУ 2 конструктивно размещена в одном стандартном шкафу с размерами 2000×600×800 и массой 92 кг.

Предлагаемая полезная модель МКПЧ работает следующим образом.

По сигналу от микропроцессорной СУ 2 (фиг.1) осуществляется включение контакторов 5 и подача питания от трансформаторов 6 на входы мостовых схем 4 каждого каскада. При этом управляющие опто-сигналы по каналам ВОЛС 3 поступают от СУ 2 на платы преобразователей опто-сигналов 10 для их тиражирования и дальнейшей передачи на платы драйверных устройств 11 IGBT-модулей 12 (фиг.2) мостовых схем 4 каждого каскада.

Драйверные устройства 11 осуществляют преобразование опто-сигналов и формирование электрических импульсов управления на включение и выключение по заданному алгоритму ключей IGBT-модулей 12 в плечах мостовых схем 4 с одновременным обеспечением их защиты от максимальных токов.

Электрические аналоговые сигналы о текущем состоянии МКПЧ, поступающие от датчиков напряжения 7 и токов 8 (фиг.1) на платы преобразователей оптических 9, преобразуются в цифровые опто-сигналы и по кабелям ВОЛС 3 передаются в шкаф микропроцессорной СУ 2.

Далее на основе полученной информации СУ 2 формирует необходимые алгоритмы управляющих опто-сигналов для обеспечения в мостовых схемах 4 режима выпрямления с углом управления , равным нулю, и с длительностью разрешенного открытия ключей, равной (120°+) эл., где - угол коммутации на частоте питающей сети, при одновременной высокочастотной синусоидальной ШИМ выходного напряжения [4].

Выходные напряжения мостовых схем 4 каждого n-ого каскада при заданном алгоритме включения и выключения их соответствующих плечей суммируются, обеспечивая в режиме синусоидальной ШИМ необходимый уровень и параметры качества напряжения на выходе МКПЧ. Далее суммарное напряжение n-каскадов каждой m-фазы поступает через датчики токов 8 на выходные зажимы МКПЧ.

Предложенная полезная модель реализована в виде опытного образца матричного 4-х каскадного преобразователя частоты с высокочастотной синусоидальной ШИМ (фиг.4), предназначенного для регулирования высоковольтного гребного электродвигателя большой мощности в системах электродвижения перспективных крупнотоннажных судов.

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 RU 2265947 С2 кл. Н02М 5/27 от 09.07.2002.

2. Способ преобразования частоты. Шрейнер Р.Т., Кривовяз В.К. и др. Патент РФ RU 2269860 С2 кл. Н02М 5/16 от 16.09.2003.

3. 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. Проспект фирмы «Yaskawa Electric Corporation» (Япония), 2007 г.

4. Устройство формирования и регулирования напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты с высокочастотной синусоидальной ШИМ. Скворцов Б.А., Васин И.М. и др. Заявка 2010129681/07 от 15.07.2010. (Решение Федеральной службы РОСПАТЕНТ о выдаче патента на изобретение 2010129681/07 (042187) от 02.02.2011).

1. Матричный каскадный преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения, состоящий из силового трансформаторного оборудования, преобразовательной части, содержащей в каждой m-фазе n каскадов (матриц) мостовых 3-фазных схем на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью, и микропроцессорной системы управления, отличающийся тем, что каскады мостовых 3-фазных схем попарно подключают к потенциально изолированным вторичным обмоткам [(m·n)/2k] трансформаторов, одна из которых соединена «звездой», а другая - «треугольником», где k - число пар вторичных обмоток на каждом трансформаторе.

2. Полезная модель по п.1, отличающаяся тем, что в конструкции преобразовательной части используют объемный монтаж ее элементов в сочетании с распределенной системой принудительного воздушного охлаждения IGBT-модулей.