Высоковольтный преобразователь частоты

Высоковольтный преобразователь частоты относится к преобразовательной технике и состоит из звена постоянного тока, содержащего трансформатор с тремя комплектами трехфазных вторичных обмоток, соединенных с блоком выпрямления, содержащим три трехфазных мостовых выпрямителя, подключенных к конденсаторам, вентильных секций, входы последних подключены к конденсаторам, первые зажимы выходных фаз вентильных секций соединены в общую точку, ко вторым зажимам выходных фаз вентильных секций подключена нагрузка. Вентильные секции имеют «m+1» идентичные ячейки (автономные инверторы напряжения). Ячейки по входу соединены параллельно и образуют вход вентильной секции, по выходу ячейки соединены последовательно через трансформаторы, выход старшей ячейки безтрансформаторный, при этом нижний выход старшей ячейки образует первый зажим выходного фазного напряжения вентильной секции, верхний трансформаторный выход младшей ячейки образует второй зажим выходного фазного напряжения вентильной секции. Коэффициент трансформации трансформатора младшей ячейки равен 3^m, коэффициент трансформации каждой последующей ячейки уменьшается в 3 раза по отношению к предыдущей, число ключей и обратных диодов в ячейке равно четырем, обратные диоды подключены параллельно ключам, ключи соединены по мостовой схеме, первая диагональ моста образует входные зажимы ячейки для подключения конденсатора, вторая диагональ моста образует выходные зажимы ячейки для подключения трансформатора. Ил. фиг.5.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники.

Известны высоковольтные преобразователи частоты (ПЧ) 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 (см. Г.Лазарев. Высоковольтные преобразователи для частотного регулируемого электропривода. Построение различных систем. Новости электротехники 2 (32), 2005 г.). 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. Высоковольтный преобразователь частоты содержит: звено постоянного тока, трансформатор с 6 комплектами трехфазных вторичных обмоток, блок выпрямления, содержащий 6 трехфазных мостовых выпрямителей, конденсаторы; вентильные секции, имеющие три входных зажима и выходные зажимы; нагрузка (двигатель). Вентильная секция содержит: ключи, выполненные на запираемых тиристорах IGCT; блокирующие диоды; защитные обратные диоды для ключей. Напряжение на каждом из конденсаторов U₀ (см. 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.).

Высоковольтный преобразователь частоты обеспечивает пятиступенчатую диаграмму линейного напряжения U_л(t). Амплитуда линейного напряжения U_лм=4U₀, а действующее значение . Каждая ступень в диаграммах фазного и линейного выходного напряжения высоковольтного преобразователя частоты составляет U_ст=U₀.

Недостатком прототипа является:

1) высокий коэффициент несинусоидальности напряжения, низкое качество электроэнергии;

2) 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 снижению надежности.

Технический результат заявляемого решения - повышение качества электроэнергии, надежности и энергоемкости.

Технический результат достигается тем, что высоковольтный преобразователь частоты, состоящий из звена постоянного тока, содержащего трансформатор с тремя комплектами трехфазных вторичных обмоток, соединенных с блоком выпрямления, содержащим три трехфазных мостовых выпрямителя, подключенных к конденсаторам, вентильных секций, входы последних подключены к конденсаторам, первые зажимы выходных фаз вентильных секций соединены в общую точку, ко вторым зажимам выходных фаз вентильных секций подключена нагрузка. Вентильные секции имеют «m+1» идентичные ячейки (автономные инверторы напряжения). Ячейки по входу соединены параллельно и образуют вход вентильной секции, по выходу ячейки соединены последовательно через трансформаторы, выход старшей ячейки безтрансформаторный, при этом нижний выход старшей ячейки образует первый зажим выходного фазного напряжения вентильной секции, верхний трансформаторный выход младшей ячейки образует второй зажим выходного фазного напряжения вентильной секции. Коэффициент трансформации трансформатора младшей ячейки равен 3^m, коэффициент трансформации каждой последующей ячейки уменьшается в 3 раза по отношению к предыдущей, число ключей и обратных диодов в ячейке равно четырем, обратные диоды подключены параллельно ключам, ключи соединены по мостовой схеме, первая диагональ моста образует входные зажимы ячейки для подключения конденсатора, вторая диагональ моста образует выходные зажимы ячейки для подключения трансформатора.

Отличительной особенностью предлагаемого решения является то, что повышение качества электроэнергии, надежности и энергоемкости достигается за счет: создания системы многоуровневого напряжения путем увеличения количества ступеней по оригинальной схеме соединения элементов в высоковольтном преобразователе частоты и способе управления им.

Сущность предлагаемого решения поясняется схемами и диаграммами:

- фиг.1 - обобщенная схема предлагаемого устройства;

- фиг.2 - ступенчатая диаграмма понижения положительного линейного напряжения U _AB(t) предлагаемого устройства;

- фиг.3 - пример реализации предлагаемого устройства для частного случая, m=1;

- фиг.4 - диаграмма линейного напряжения предлагаемого устройства для частного случая, m=1;

- фиг.5 - диаграмма линейного напряжения для известного устройства, т.е. для прототипа.

Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит звено постоянного тока 1, состоящее из трансформатора 2, блока выпрямления 3, конденсаторов 4-6 и трех вентильных секций 7-9, подключенных к нагрузке 10, вентильные секции содержат «m+1» ячейку, каждая из которых содержит по четыре ключа с обратными диодами, нулевая (младшая) ячейка с ключами 11-14 и обратными диодами 19-22, первая ячейка с ключами 15-18 и обратными диодами 23-26 и т.д., ключи в ячейке соединены по мостовой схеме, первые диагонали всех ячеек соединены параллельно и образуют входные зажимы вентильной секции, входные зажимы вентильной секции 7 соединены с конденсатором 4, входные зажимы вентильной секции 8 соединены с конденсатором 5 входные зажимы вентильной секции 9 соединены с конденсатором 6, по выходу ячейки соединены последовательно через трансформаторы 27, 28, и т.д., нулевая ячейка через трансформатор 27 с коэффициентом трансформации 3^m формирует на вторичной обмотке напряжение равное 1U₀, первая ячейка через трансформатор 28 с коэффициентом трансформации 3^m-1 формирует на вторичной обмотке напряжение равное 3U₀ , для каждой последующей ячейки коэффициент трансформации трансформатора уменьшается в 3 раза, а напряжение на вторичной обмотке увеличивается в 3 раза по отношению к предыдущей ячейке, выход старшей ячейки безтрансформаторный и формирует напряжение 3^mU ₀, равное напряжению на конденсаторе, нижний выход старшей ячейки образует первый зажим 0 выходного фазного напряжения вентильной секции, первые зажимы выходных фаз вентильных секций соединены в общую точку, верхний трансформаторный выход младшей ячейки образует второй зажим А выходного фазного напряжения вентильной секции 7, ко вторым зажимам выходных фаз А, В, С, вентильных секций 7, 8, 9 подключена нагрузка 10.

При количестве ячеек в вентильной секции «m+1» наибольшая величина фазного напряжения на () ступени равна . Наибольшая величина линейного напряжения на () ступени равна . Каждая ступень в диаграммах фазного и линейного выходного напряжения равна напряжению на вторичной обмотке трансформатора младшей ячейки 1U₀.

Устройство по фиг.1 работает следующим образом.

При включенных ключах 11, 14 в нулевой (младшей) ячейке, 15, 18 в первой ячейке, аналогично во всех остальных ячейках вентильной секции 7 и при включенных ключах 12, 13 в нулевой (младшей) ячейке, 16, 17 в первой ячейке, аналогично во всех остальных ячейках вентильной секции 8, на зажимах АВ для положительной полуволны синусоиды имеем максимальное положительное линейное напряжение U_AB. Аналогично получаем линейное напряжение и в других фазах.

При отключении (закорачивании) нулевой ячейки в вентильной секции 7 уровень выходного напряжения U_AB понижается на одну ступень 1U₀. Для этого одновременно включаем ключи 11, 13 (или 12, 14) в данной вентильной секции. Обратный диоды 19, 21 (или 20, 22) совместно с соответствующим ключом обеспечивают режим закорачивания нулевой ячейки. Положения ключей в остальных ячейках вентильных секций 7, 8 остаются неизменными.

Для понижения уровня выходного напряжения U_AB на две ступени 2U₀ в нулевой ячейке вентильной секции 7 включены ключи 12, 13. Напряжение на выходе нулевой ячейке будет отрицательным. Положения ключей в остальных ячейках вентильных секций 7, 8 остаются неизменными.

Для понижения уровня выходного напряжения U_AB на три ступени 3U₀ отключаем (закорачиваем) первую ячейку в вентильной секции 7. Для этого одновременно включаем ключи 15, 17 (или 16, 18) в данной вентильной секции. Обратный диоды 23, 25 (или 24, 26) совместно с соответствующим ключом обеспечивают режим закорачивания первой ячейки. В нулевой ячейке включаем ключи 11, 14. Положения ключей в остальных ячейках вентильных секций 7, 8 остаются неизменными.

Для понижения уровня выходного напряжения U_AB на четыре ступени 4U₀ отключаем нулевую ячейку. Положения ключей в остальных ячейках вентильных секций 7, 8 остаются неизменными.

Для понижения уровня выходного напряжения U_AB на пять ступеней 5U₀ в нулевой ячейке включаем ключи 12, 13. Напряжение на выходе нулевой ячейке будет отрицательным. Положения ключей в остальных ячейках вентильных секций 7, 8 остаются неизменными.

Подобным образом осуществляется управление другими ключами вентильных секций 7-9. Каждая ячейка вентильной секции по мере уменьшения линейного напряжения U_AB от максимального значения до нуля последовательно формирует вначале положительное, затем нулевое и, наконец, отрицательное выходное напряжение. Чаще других эти действия выполняет нулевая ячейка, тем самым обеспечивает уменьшение выходного напряжения на шаг ступени равный 1U₀. Первая ячейка в три раза реже переключается, чем нулевая. Вторая ячейка в три раза реже, чем первая и т.д. Старшая ячейка каждой вентильной секции только один раз за период формирует положительное, нулевое и отрицательное напряжение.

Ступенчатая диаграмма понижения положительного линейного напряжения U_AB(t) приведена на фиг.2.

Аналогично для отрицательной полуволны синусоиды получаем максимальное отрицательное линейное напряжение U_AB при включенных ключах 11, 14 в нулевой (младшей) ячейке, 15, 18 в первой ячейке, аналогично во всех остальных ячейках вентильной секции 8 и при включенных ключах 12, 13 в нулевой (младшей) ячейке, 16, 17 в первой ячейке, аналогично во всех остальных ячейках вентильной секции 7.

Далее в вентильной секции 8 последовательно переводя ячейки на формирование из положительного напряжения вначале нулевого, а затем отрицательного напряжения происходит уменьшение отрицательного напряжения U_AB. Шаг ступени равен 1U₀.

Нулевая ступень линейного напряжения может быть получена несколькими путями, например, одновременным закорачиванием всех ячеек вентильных секций формирующих данное линейное напряжение. Второй способ - формированием равных фазных напряжений в вентильных секциях, формирующих данное линейное напряжение. Во всех случаях напряжение на каждом ключе не превышает величины напряжения на одном конденсаторе. Обратные диоды обеспечивают сброс реактивной энергии нагрузки в конденсаторы, а также совместно с соответствующими ключами - режим закорачивания нагрузки.

Здесь число ступеней, а значит и выходное напряжение преобразователя частоты, может быть довольно высоким при низких напряжениях ключей. Величина выходного напряжения ПЧ регулируется на каждой ступени переключением ячеек, а частота - методом частотной модуляции.

На фиг.3 приведен пример реализации предлагаемого устройства для частного случая (m=1), с девятью уровневой диаграммой линейного напряжения на выходе преобразователя частоты (см. фиг.4).

На фиг.5 приведена пятиступенчатая диаграмма линейного напряжения высоковольтного преобразователя частоты, для прототипа.

Увеличение количества уровней (ступеней) выходного напряжения ПЧ приближает его форму к синусоиде и, тем самым, улучшает качество электроэнергии. Кроме того, увеличение количества уровней выходного напряжения ПЧ позволяет обеспечить надежное деление напряжения между каждой из последовательно включенных ячеек и, тем самым, увеличить выходное напряжение и мощность устройства. Все вышеперечисленное в целом повышает качество электроэнергии на выходе ПЧ, увеличивает надежность и энергоемкость.

Высоковольтный преобразователь частоты, состоящий из звена постоянного тока, содержащего трансформатор с тремя комплектами трехфазных вторичных обмоток, соединенных с блоком выпрямления, содержащим три трехфазных мостовых выпрямителя, подключенных к конденсаторам, вентильных секций, входы последних подключены к конденсаторам, первые зажимы выходных фаз вентильных секций соединены в общую точку, ко вторым зажимам выходных фаз вентильных секций подключена нагрузка, отличающийся тем, что вентильные секции имеют m+1 идентичные ячейки (автономные инверторы напряжения), последние по входу соединены параллельно и образуют вход вентильной секции, по выходу ячейки соединены последовательно через трансформаторы, выход старшей ячейки бестрансформаторный, при этом нижний выход старшей ячейки образует первый зажим выходного фазного напряжения вентильной секции, верхний трансформаторный выход младшей ячейки образует второй зажим выходного фазного напряжения вентильной секции, коэффициент трансформации трансформатора младшей ячейки равен 3^m, коэффициент трансформации каждой последующей ячейки уменьшается в 3 раза по отношению к предыдущей, число ключей и обратных диодов в ячейке равно четырем, обратные диоды подключены параллельно ключам, ключи соединены по мостовой схеме, первая диагональ моста образует входные зажимы ячейки для подключения конденсатора, вторая диагональ моста образует выходные зажимы ячейки для подключения трансформатора.