способ распределения мощности в многоуровневом преобразователе частоты для питания синхронных и асинхронных двигателей

Формула изобретения

Способ распределения мощности в многоуровневом преобразователе частоты для питания синхронных и асинхронных двигателей, при котором выходное напряжение получают с помощью выходных инверторно-рекуперационных модулей, каждый из которых содержит первый и второй однофазные мосты и буферный конденсатор, причем цепи постоянного тока первого и второго однофазных мостов подсоединены параллельно к буферному конденсатору, цепь переменного тока второго однофазного моста соединена последовательно с цепями переменного тока вторых однофазных мостов других выходных инверторно-рекуперационных модулей таким образом, чтобы образовались три группы, соединенные в звезду, к выводам которой подключен выходной фильтр, отличающийся тем, что распределение мощности между всеми инверторно-рекуперационными модулями осуществляют на высокой частоте через единый высокочастотный энергетический узел, для чего вводят входной фильтр, высокочастотные трансформаторы и входные инверторно-рекуперационные модули, каждый из последних содержит первый и второй однофазные мосты и буферный конденсатор, причем цепи постоянного тока первого и второго однофазных мостов подсоединяют параллельно к буферному конденсатору, цепь переменного тока второго однофазного моста соединяют последовательно с цепями переменного тока вторых однофазных мостов других входных инверторно-рекуперационных модулей таким образом, чтобы образовались три группы, соединенные в звезду, к выводам которой подключают входной фильтр, у всех и входных и выходных инверторно-рекуперационных модулей первые однофазные мосты выполняют высокочастотными и управляют ими, используя единый частотозадающий сигнал, а цепи переменного тока первых однофазных мостов соединяют между собой параллельно по переменному току через высокочастотные трансформаторы так, чтобы образовался упомянутый единый высокочастотный энергетический узел, через который путем взаимного перетока мощности происходит автоматическое выравнивание напряжений на буферных конденсаторах всех и входных и выходных инверторно-рекуперационных модулей подобно сообщающимся сосудам с жидкостью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям частоты. Использование для питания высоковольтных асинхронных и синхронных двигателей.

Известными аналогами являются способы распределения мощности в бестрансформаторных многоуровневых преобразователях частоты [1], в которых напряжение в звене постоянного тока делится на необходимое число уровней за счет последовательного соединения буферных конденсаторов, а выходные цепи преобразователя в каждый момент времени через последовательно соединенные силовые ключи подсоединяются к требуемому узлу в соединении буферных конденсаторов. Существенными недостатками таких схем являются: возможность появления на буферных конденсаторах и силовых ключах недопустимо высокого напряжения, а также потеря работоспособности всего устройства при выходе из строя какого-либо элемента.

В качестве прототипа можно указать способ распределения мощности [2] в преобразователе, содержащем силовой низкочастотный (50-60 Гц) трансформатор, выходной фильтр, инверторно-рекуперационные модули, каждый из которых содержит два однофазных моста и буферный конденсатор, причем цепи постоянного тока обоих мостов подсоединены параллельно к буферному конденсатору, цепь переменного тока первого моста подсоединена к одной из вторичных обмоток силового трансформатора, а цепь переменного тока второго моста, являющаяся выходом модуля, подсоединена последовательно с выходами других модулей таким образом, что образуются три группы, соединенные в звезду, к выходу которой подключен выходной фильтр. Достоинством указанного преобразователя является наличие функции рекуперации энергии, а также возможность построения преобразователя с высокой надежностью работы при постановке на инверторно-рекуперационные модули байпасных контуров, обеспечивающих работоспособность преобразователя частоты в целом при выходе из строя какого-либо инверторно-рекуперационного модуля. Недостатками являются высокие массогабаритные показатели трансформатора и большая суммарная емкость буферных конденсаторов, требующаяся для уменьшения низкочастотных провалов напряжения в звеньях постоянного тока.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение массогабаритных показателей и уменьшение суммарной емкости буферных конденсаторов преобразователя частоты.

Технический результат достигается тем, что по способу в упомянутом преобразователе выходное напряжение получают с помощью выходных инверторно-рекуперационных модулей, каждый из которых содержит первый и второй однофазные мосты и буферный конденсатор, причем цепи постоянного тока первого и второго однофазных мостов подсоединены параллельно к буферному конденсатору, цепь переменного тока второго однофазного моста соединена последовательно с цепями переменного тока вторых однофазных мостов других выходных инверторно-рекуперационных модулей таким образом, чтобы образовались три группы, соединенные в звезду, к выводам которой подключен выходной фильтр, распределение мощности между всеми инверторно-рекуперационными модулями осуществляют на высокой частоте через единый высокочастотный энергетический узел, для чего вводят входной фильтр, высокочастотные трансформаторы и входные инверторно-рекуперационные модули, каждый из последних содержит первый и второй однофазные мосты и буферный конденсатор, причем цепи постоянного тока первого и второго однофазных мостов подсоединяют параллельно к буферному конденсатору, цепь переменного тока второго однофазного моста соединяют последовательно с цепями переменного тока вторых однофазных мостов других входных инверторно-рекуперационных модулей таким образом, чтобы образовались три группы, соединенные в звезду, к выводам которой подключают входной фильтр, у всех и входных и выходных инверторно-рекуперационных модулей первые однофазные мосты выполняют высокочастотными и управляют ими, используя единый частотозадающий сигнал, а цепи переменного тока первых однофазных мостов соединяют между собой параллельно по переменному току через высоко-частотные трансформаторы так, чтобы образовался упомянутый единый высокочастотный энергетический узел, через который путем взаимного перетока мощности происходит автоматическое выравнивание напряжений на буферных конденсаторах всех и входных и выходных инверторно-рекуперационных модулей подобно сообщающимся сосудам с жидкостью.

Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1), на котором представлена структурная схема силовой части одного из возможных вариантов преобразователя частоты по заявляемому способу. Элементы управления, защиты и прочие элементы, не меняющие сущность изобретения, не показаны.

Преобразователь частоты состоит из: входных инверторно-рекуперационных модулей 1, каждый из которых состоит из первого высокочастотного однофазного моста 2, второго однофазного моста 3 и буферного конденсатора 4, выходных инверторно-рекуперационных модулей 5, каждый из которых состоит из первого высокочастотного однофазного моста 6, второго однофазного моста 7 и буферного конденсатора 8, высокочастотных трансформаторов 9 и 10, высокочастотной шины 11, входного 12 и выходного 13 фильтров.

Работа двигателя осуществляется следующим образом. Мощность из сетевых фаз А,В,С через фильтр 12 поступает на вход звезды, образованной последовательно соединенными цепями переменного тока мостов 3 модулей 1. Многоуровневость такой системы позволяет получить коэффициент потребляемой из сети мощности близкий к единице.

В каждом из модулей 1 мощность поступает по цепи постоянного тока от моста 3 в мост 2. Конденсатор 4 подсоединен параллельно к упомянутой цепи постоянного тока. От цепей переменного тока мостов 2 мощность поступает на свои обмотки II трансформаторов 9, обмотки I которых подсоединены параллельно друг другу посредством шины 11. Через шину 11 проходит сумма всех мощностей, поступающих от трехфазной сети А, В, С.

Далее от шины 11 мощность распределяется между модулями 5 через трансформаторы 10, обмотки I которых подсоединены параллельно к шине 11, а обмотки II подсоединены к своим цепям переменного тока мостов 6. В каждом из модулей 5 мощность поступает по цепи постоянного тока от высокочастотного моста 6 в мост 7. Конденсатор 8 подсоединен параллельно к упомянутой цепи постоянного тока. Управление мостами 2 и 6 всех модулей 1 и 5 осуществляется с использованием единого частотозадающего сигнала.

Цепи переменного тока мостов 7 образуют звезду, выводы которой подсоединены к фильтру 13, к выводам U, V, W которого подсоединен двигатель. Многоуровневость описанной системы обеспечивает низкий коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения.

Вышеописанное соединение цепей переменного тока всех мостов 2 и 6 параллельно по переменному току через трансформаторы 9 и 10 к шине 11 позволяет сделать вывод о создании единого высокочастотного энергетического узла, через который проходит вся передаваемая между входом и выходом частотного преобразователя мощность. Наличие такого узла обеспечивает постоянное выравнивание напряжения на всех конденсаторах 4 и 8 за счет перетока энергии от конденсаторов с большим напряжением к конденсаторам с меньшим напряжением подобно сообщающимся сосудам с жидкостью. Это приводит к образованию из всех конденсаторов 4 и 8 единого энергетического буфера, эквивалентная емкость которого равна сумме емкостей всех буферных конденсаторов 4 и 8.

Известно, что при отсутствии перекоса и при постоянной нагрузке сумма мгновенных мощностей в трехфазной сети не зависит от времени. Поэтому, с учетом факта сложения в едином высокочастотном энергетическом узле всех поступающих и исходящих мощностей по всем входным А, В, С и выходным U, V, W фазам, а также с учетом вышеописанного образования единого энергетического буфера роль всех конденсаторов 4 и 8 сводится главным образом к обеспечению фильтрации высокочастотных составляющих в цепях постоянного тока модулей 1 и 5 и к обеспечению стабильности системы управления. Следовательно, суммарную емкость конденсаторов 4 и 8 можно выбирать значительно ниже суммарной емкости буферных конденсаторов прототипа.

Работа в режиме рекуперации вследствие симметричности схемы происходит в порядке, обратном вышеописанному.

При использовании многообмоточных высокочастотных трансформаторов можно уменьшить их общее число и, соответственно, уменьшить число обмоток I при сохранении общего числа обмоток II. Крайний случай - один высокочастотный трансформатор: обмотки! отсутствуют, а роль единого высокочастотного энергетического узла играет единый мангитопровод. Однако, учитывая требования высоковольтности конструкции, можно утверждать, что недостатком применения многообмоточных трансформаторов является снижение магнитной связи между обмотками, что может вызвать проблемы в передаче мощности в высокочастотном диапазоне.

Оценки массогабаритных показателей высокочастотных трансформаторов при работе на частоте 33 кГц для средней мощности 3600 кВА (6,6 кВ) дают общую массу не более 600 кг - против массы низкочастотного трансформатора [3] около 12000 кг - и соответствующее снижение габаритов.

Необходимо отметить, что:

- вследствие значительного снижения суммарной буферной емкости в преобразователе частоты уменьшается число элементов с пониженной надежностью и высокой ценой;

- для преобразователя частоты прототипа выход из строя трансформатора приводит к выходу из строя всего преобразователя. Для преобразователя частоты по заявляемому способу по схеме «один высокочастотный преобразователь - один высокочастотный трансформатор» (Фиг.1) возможно включение каждого высокочастотного трансформатора конструктивно в состав своего инверторно-рекуперационного модуля, который будет байпасироваться при выходе из строя какого-либо элемента для безостановочной работы преобразователя частоты в целом.

Источники информации

1. Донской Н.В. и др. Многоуровневые автономные инверторы. - Силовая электроника (www.power-e.ru), 2008 г, № 1, с.43-46.

2. Патент РФ № 2303851 С1, действие с 03.11.2005, опубл. 27.07.2007. Стригулин А.П. Статический многоуровневый преобразователь частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей.

3. Лазарев Г.Б. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода. Построение различных систем. - Новости электротехники 2005, № 2, с.23.