Высоковольтный преобразователь частоты
Высоковольтный преобразователь частоты относится к преобразовательной технике и состоит из звена постоянного тока, содержащего трансформатор, подключенный к блоку выпрямления и последовательно соединенных конденсаторов, вентильных секций, имеющих верхнее и нижнее плечо последовательно соединенных ключей, к которым подключены обратные и блокирующие диоды, причем последние попарно соединены последовательно, а их общие точки подключены к соответствующим общим точкам конденсаторов; при этом общие точки обеих плеч в каждой вентильной секции образуют зажимы для подключения нагрузки. Число ключей «m» в каждом плече вентильной секции равно количеству конденсаторов и равно суммарному количеству блокирующих и обратного диодов, при этом каждый обратный диод подключен параллельно соответствующему плечу; блокирующий диод первого ключа верхнего плеча подсоединен к блокирующему диоду первого ключа нижнего плеча, а их общая точка к общей точке первого и второго конденсаторов; блокирующий диод второго ключа верхнего плеча подсоединен к блокирующему диоду второго ключа нижнего плеча, а их общая точка - к общей точке второго и третьего конденсаторов и так соответственно для m-ключей; блокирующий диод последнего ключа верхнего плеча подключен к блокирующему диоду последнего ключа нижнего плеча, а их общая точка - к общей точке предпоследнего и последнего конденсаторов. Ил. фиг.5.
Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к области преобразовательной техники.
Известны высоковольтные преобразователи частоты (ПЧ) [1] типа «Simovert MV» фирмы Siemens, которые предназначены для электропривода и выполнены на напряжение до 6 кВ. ПЧ на напряжение 4,16 кВ содержит 12 транзисторных IGBT ключей, два источника постоянного напряжения на базе трехфазных мостов с емкостными фильтрами и высоковольтный трансформатор с тремя комплектами трехфазных обмоток. Такой ПЧ позволяет управлять двигателем с напряжением до 4,16 кВ. Для обеспечения напряжения 6 кВ и более на выходе ПЧ необходимо установить промежуточный трансформатор. В этом случае увеличиваются габариты устройства, возрастают потери энергии и снижается надежность.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является высоковольтный ПЧ типа ACS 5000 фирмы ABB на запираемых тиристорах IGCT [2] и фиг.1. Высоковольтный преобразователь частоты содержит: звено постоянного тока 1, трансформатор 2 с 6 комплектами трехфазных вторичных обмоток, блок выпрямления 3, содержащий 6 трехфазных мостовых выпрямителей; конденсаторы 4-7, каждый из которых может содержать несколько элементарных конденсаторов с определенным соединением их между собой, вентильные секции 8-9, имеющие три входных зажима («+», «-» и O 1÷О3) и выходные зажимы АО, ВО и СО; нагрузка (двигатель) 11, ключи 12-19, выполненные на запираемых тиристорах IGCT; блокирующие диоды 20-23 (каждый из диодов может содержать несколько последовательно соединенных низковольтных диодов); защитные обратные диоды 24-31 для ключей. При этом Uo - напряжение на каждом из конденсаторов 4-7.
Высоковольтный преобразователь частоты обеспечивает пятиступенчатую диаграмму линейного напряжения U л (t), приведенную на фиг.2.
Амплитуда линейного напряжения 
, a
действующее значение 
Каждая ступень в диаграммах фазного и линейного выходного напряжения АИН составляет Uст =Uo
Напряжение на каждом тиристоре составляет Uт=Uo. В настоящее время наибольшее рабочее напряжение тиристоров IGCT составляет 6-7 кВ, что в приведенной схеме ПЧ (при двойном запасе по напряжению) позволяет получить действующее значение выходного линейного напряжения по (1):
Каждая вентильная секция обеспечивает наибольшее напряжение
UAO.м.=2U o
Недостатком прототипа является:
1) сложность из-за наличия большого количества изолированных друг от друга трехфазных мостовых выпрямителей, ключей, диодов и конденсаторов, а также многообмоточного трансформатора. Это приводит также к увеличению потерь и понижению надежности;
2) ограничение по выходному напряжению и мощности. При современной элементной базе полупроводниковых ключей выходное линейное напряжение таких ПЧ составляет около 8 кВ.
Дальнейшее повышение выходного напряжения и мощности ПЧ требует применения последовательного соединения полупроводниковых ключей, что приводит к серьезным трудностям при делении напряжений на них, особенно в переходных режимах. Поэтому такого вида ПЧ на большие напряжения пока не нашли своего применения.
Технический результат заявляемого решения - повышение надежности, энергоемкости (напряжения и мощности) и качества электроэнергии.
Технический результат достигается тем, что высоковольтный преобразователь частоты, состоящий из звена постоянного тока, содержащего трансформатор, подключенный к блоку выпрямления и последовательно соединенных конденсаторов, вентильных секций, имеющих верхнее и нижнее плечо последовательно соединенных ключей, к которым подключены обратные и блокирующие диоды, последние попарно соединены последовательно, а их общие точки подключены к соответствующим общим точкам конденсаторов; при этом общие точки обеих плеч в каждой вентильной секции образуют зажимы для подключения нагрузки, число ключей «m» в каждом плече вентильной секции равно количеству конденсаторов и равно суммарному количеству блокирующих и обратного диодов, при этом каждый обратный диод подключен параллельно соответствующему плечу; блокирующий диод первого верхнего плеча подсоединен к блокирующему диоду первого ключа нижнего плеча и их общая точка подсоединена к общей точке первого и второго конденсаторов, блокирующий диод второго ключа верхнего плеча подсоединен к блокирующему диоду второго ключа нижнего плеча, а их общая точка подсоединена к общей точке второго и третьего конденсаторов и так, соответственно, для m-ключей; блокирующий диод последнего ключа верхнего плеча подключен к блокирующему диоду последнего ключа нижнего плеча, и их общая точка подсоединена к общей точке предпоследнего и последнего конденсаторов. Каждый обратный диод может быть выполнен, по крайней мере, из последовательно соединенных элементарных диодов соответственно подключенных параллельно каждому ключу или группе ключей вентильной секции, а соединение ключей и диодов каждой вентильной секции может быть выполнено, по крайней мере, с использованием силовых модулей, например, типа «чоппер».
Отличительной особенностью предполагаемого решения является то, что повышение энергоемкости, качества электроэнергии и надежности достигается за счет:
создания системы многоуровневого напряжения путем увеличения количества ступеней по оригинальной схеме соединения элементов в высоковольтном ПЧ.
На фиг.3, 4 приведена обобщенная схема предлагаемого устройства, где приняты следующие обозначения:
1 - звено постоянного тока,
2 - трансформатор с несколькими вторичными обмотками,
3 - блок выпрямления, содержащий, например, несколько (м) трехфазных выпрямительных мостов,
4, 5 - первый и второй конденсаторы узла 1,
6, 7 - предпоследний и последний конденсаторы узла 1,
8-10 - вентильные секции,
11 - нагрузка, например, электродвигатель,
12-19 - ключи, например, выполненные на транзисторах IGBT,
12-15 - ключи, образующие верхнее плечо вентильной секции,
16-19 - ключи, образующие нижнее плечо вентильной секции,
15, 19 - последние ключи соответственно верхнего и нижнего плеча,
20-27 - блокирующие диоды (каждый может состоять, например, из нескольких низковольтных последовательно соединенных диодов),
28, 29 - обратные диоды,
30-33 - элементарные диоды, эквивалентные 28,
34-35 - то же эквиваленты 29,
36 - силовой транзисторный модуль типа «чоппер»,
O1, O 2...Om-1 - общие точки конденсаторов,
АВС - выходные фазы (зажимы),
±U d - суммарное выходное напряжение блока 3,
U o - напряжение на одном (каждом) конденсаторе 4-7.
Количество конденсаторов 4-7 равно «m». Каждый из конденсаторов 4-7 может состоять из нескольких элементарных конденсаторов с определенным соединением между собой. Количество ключей в плече вентильной секции равно «m» и равно числу конденсаторов 4-7.
Суммарное количество блокирующих и обратных диодов в плече вентильной секции также равно «m». Число уровней в диаграмме линейного напряжения равно «m+1».
На фиг.4 изображена вентильная секция 8, на примере которой показаны возможные варианты включения элементарных диодов, эквивалентных 28 и 29. Так для верхнего плеча (ключи 12-15) показан вариант подключения элементарных обратных диодов 30-33, параллельных каждому ключу.
Этот вариант целесообразен, когда применяется модуль ключа, в который встроен обратный диод.
Однако при этом возрастают потери мощности из-за последовательного включения диодов. Для нижнего плеча (ключи 16-19) показан возможный вариант подключения элементарных обратных диодов 34-35, каждый из которых, например, подключен параллельно двум ключам, что снижает потери. Там же выделен пунктиром силовой модуль 36 типа «чоппер», который обычно предназначен для применения в узлах сброса энергии. В предлагаемом устройстве также рекомендуется использовать указанные модули, что существенно упрощает конструкцию ПЧ. При этом в ПЧ на высокое напряжение при необходимости на входе модулей 36 устанавливаются дополнительные диоды также в модульном исполнении.
На фиг.5 приведен пример реализации предлагаемого устройства для одного частного случая, где m=3 с четырехуровневой диаграммой линейного напряжения на выходе ПЧ,
где O1-O 2 общие точки соответствующих конденсаторов 4-6,
12-18 - ключи,
20, 21, 26, 27, - блокирующие диоды,
Предлагаемое устройство содержит звено постоянного тока 1, состоящее из трансформатора 2, блока выпрямления 3, конденсаторов 4-7 и трех вентильных секций 8-10, подключенных к нагрузке 11, вентильные секции содержат ключи 12-19, образующие верхнее плечо 12-15 и нижнее плечо 16-19, в каждой вентильной секции, ключи верхнего плеча 12-15 соединены с ключами нижнего плеча 16-19 через блокирующие диоды 20-27, а общие точки O 1, ... Om-1 попарного последовательного соединения блокирующих диодов подключены к соответствующим конденсаторам 4-7, при этом в каждой вентильной секции блокирующий диод 20 первого ключа 12 верхнего плеча подключен к блокирующему диоду 24 первого ключа 16 нижнего плеча, а их общая точка О 1 - к общей точке конденсаторов 4 и 5; блокирующий диод 21 второго ключа 13 верхнего плеча подключен к блокирующему диоду 25 второго ключа 17 нижнего плеча, а их общая точка О 2 - к общей точке конденсатора 5 с последующим конденсатором и т.д.; блокирующий диод 23 последнего ключа 15 верхнего плеча подключен к блокирующему диоду 27 последнего ключа 19 нижнего плеча, а их общая точка - к общей точке конденсаторов 6 и 7.
Число ключей «m» в каждом плече вентильной секции равно количеству конденсаторов 4-7 и равно суммарному количеству блокирующих и обратного диодов (2-23, 28) или (24-27, 29), подключенных к соответствующему плечу. Общие точки верхнего и нижнего плеча каждой вентильной секции 8-10 образуют зажимы АВС для подключения нагрузки 11. Каждый обратный диод 28, 29 может состоять из последовательно соединенных элементарных диодов 30-35, соответственно подключенных параллельно каждому ключу или группе ключей вентильной секции. Соединение ключей и диодов каждой вентильной секции может быть выполнено с использованием силовых модулей 36, например, типа «чоппер».
Наибольшая величина линейного напряжения на (m+1) ступени равна
Uл.м.=mU о
Увеличение количества уровней выходного напряжения ПЧ позволяет обеспечить надежное деление напряжения на каждом из последовательно включенных полупроводниковых ключей и, тем самым, увеличить выходное напряжение и мощность устройства. Кроме того, увеличение количества уровней (ступеней) приближает форму выходного напряжения ПЧ к синусоиде и, тем самым, улучшает качество электроэнергии. Все вышеперечисленное в целом увеличивает энергоемкость, качество электроэнергии на выходе ПЧ и повышает надежность.
Устройство по фиг.2 работает следующим образом.
При включенных всех ключах в верхнем плече вентильной секции 8 и в нижнем плече секции 9, на зажимах АВ для положительной полуволны синусоиды имеем максимальное положительное линейное напряжение UAB. Аналогично получаем и в других фазах. Здесь осуществляется ШИМ-регулирование в пределах каждой ступени за счет включения и отключения с определенной скважностью верхнего ключа 12. При отключении 12 уровень выходного напряжения U AB понижается на одну ступень, т.е. на величину напряжения на конденсаторе 4, который с помощью элементов 20, 13-15 в вентильной секции 8 и ключей 16-19 вентильной секции 9 оказывается последовательно включенным с нагрузкой 11 на напряжение Ud.
При отключении ключа 13 и ШИМ-регулировании последующего ключа верхнего плеча данной вентильной секции уровень выходного напряжения U AB аналогично понижается еще на одну ступень.
В этом случае к нагрузке будет приложена разность напряжений источника Ud и напряжения на 2х последовательно включенных конденсаторах 4 и 5 через диод 21 и ключи верхнего плеча за исключением 12, 13.
Подобным образом осуществляется управление другими ключами вентильных секций 8-10. Ступенчатая диаграмма U AB(t) приведена на фиг.3, б. Аналогично для отрицательной полуволны синусоиды получаем максимальное отрицательное линейное напряжение UAB при включении ключей 12-15 вентильной секции 9 и ключей 16-19 вентильной секции 8. Далее отключая последовательно по 1 ключу в нижнем плече вентильной секции 9 (от 19 до 16) происходит уменьшение отрицательного напряжения UAB с ШИМ-регулированием в пределах каждой ступени. Нулевая ступень линейного напряжения может быть получена несколькими путями, например, одновременным включением всех ключей верхнего (или нижнего) плеча вентильных секций, формирующих данное линейное напряжение. Во всех случаях напряжение на каждом ключе не превышает величины Uo на одном конденсаторе. Обратные диоды 28, 29 обеспечивают сброс реактивной энергии нагрузки в конденсаторы, а также совместно с соответствующими ключами - режим закорачивания нагрузки (ступень 1). Количество обратных диодов в трехфазном ПЧ равно 6 и не зависит от числа уровней. Здесь число ступеней, а значит и выходное напряжение ПЧ, может быть довольно высоким при низких напряжениях ключей. Величина выходного напряжения ПЧ регулируется на каждой ступени ШИМ способом, а частота - методом частотной модуляции.
На фиг.5 приведен пример реализации четырех уровневого ПЧ с указанием величин напряжений на ступенях, где Uл.м.=3U o
Устройство содержит восемнадцать ключей, двенадцать блокирующих диодов, шесть обратных диодов, три конденсатора и три трехфазных выпрямительных моста, образующих блок 3, каждый из которых подключен к соответствующему конденсатору. Трансформатор 2 имеет три комплекта обмоток. Работа аналогична вышеописанному. Например, при допустимом рабочем напряжении одного ключа U o ˜3 кВ (как это было принято выше с учетом принятого запаса) заявляемый ПЧ позволяет обеспечить действующее значение линейного напряжения на нагрузке
Аналогично могут быть выполнены и другие ПЧ на необходимое напряжение.
Источники известности
1. Г.Лазарев. Высоковольтные преобразователи для частотного регулируемого электропривода. Построение различных систем. Новости электротехники №2 (32), 2006 г.
2. Технический каталог фирмы ABB. Привод ACS5000. Привод переменного тока среднего напряжения для управления двигателями с напряжением до 6,9 кВ. ADVL OCO219CAT06ARU, август 2006 г.
1. Высоковольтный преобразователь частоты, состоящий из звена постоянного тока, содержащего трансформатор, подключенный к блоку выпрямления и последовательно соединенных конденсаторов, вентильных секций, содержащих верхнее и нижнее плечо последовательно соединенных ключей, к которым подключены обратные и блокирующие диоды, последние попарно соединены последовательно, и их общие точки подключены к соответствующим общим точкам конденсаторов; при этом общие точки обеих плеч ключей в каждой вентильной секции образуют зажимы для подключения нагрузки, отличающийся тем, что число ключей «m» в каждом плече вентильной секции равно количеству конденсаторов и равно суммарному количеству блокирующих и обратного диодов, при этом каждый обратный диод подключен параллельно соответствующему плечу; блокирующий диод первого ключа верхнего плеча подсоединен к блокирующему диоду первого ключа нижнего плеча, а их общая точка - к общей точке первого и второго конденсаторов; блокирующий диод второго ключа верхнего плеча подсоединен к блокирующему диоду второго ключа нижнего плеча, а их общая точка - к общей точке второго и третьего конденсаторов и так соответственно для m-ключей; блокирующий диод последнего ключа верхнего плеча подключен к блокирующему диоду последнего ключа нижнего плеча, а их общая точка - к общей точке предпоследнего и последнего конденсаторов.
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждый обратный диод состоит из последовательно соединенных элементарных диодов, соответственно подключенных параллельно каждому ключу или группе ключей вентильной секции.
3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что соединение ключей и диодов каждой вентильной секции выполнено с использованием силовых модулей, например, типа «чоппер».
