Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим



Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим
Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим
Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим
Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим
Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим

 


Владельцы патента RU 2428783:

Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)

Предложен способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты (НПЧ) каскадного типа с высокочастотной синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), каждый каскад (матрица) которого построен на полностью управляемых ключах IGВТ-модулей с двухсторонней проводимостью по мостовой схеме. Предложенный способ по сравнению со способом, используемом в прототипе, обеспечивает технический результат - повышение к.п.д. и уменьшение массогабаритных показателей за счет исключения блоков с компенсирующими конденсаторами на входных зажимах НПЧ при сохранении высоких параметров качества электроэнергии как со стороны питающей сети, так и на стороне двигательной нагрузки. Указанный технический результат достигается введением естественного спада реактивных (индуктивных) токов в фазах источников питания при их выпрямлении и в фазах электродвигателя при коммутации ключей в режиме формирования и регулирования выходного напряжения методом высокочастотной двуполярной ШИМ. Предложенный способ реализован в программном обеспечении опытного образца матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ, предназначенного для регулирования высоковольтного гребного электродвигателя большой мощности в системах электродвижения перспективных крупнотоннажных судов, например, судов ледового плавания и нового поколения ледоколов. 3 ил.

 

1.1. Область техники. Настоящее изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники, в частности к непосредственным преобразователям частоты (НПЧ) для регулирования высоковольтных электродвигателей переменного тока большой мощности.

1.2. Уровень техники. Известен способ и устройство управления преобразователем частоты, построенным по схеме 3-фазного двухзвенного НПЧ на IGВТ-модулях, как на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью с использованием программного метода высокочастотной адаптивной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для формирования входных и выходных токов и регулирования выходного напряжения, описанные, например, в [1; 2].

В указанных источниках информации в качестве способа и устройства компенсации реактивных (индуктивных) токов питающей сети, т.е. для поддержания непрерывности протекания токов в цепях от источников питания к фазам электродвигателя при коммутации ключей как на частоте сети, так и на высокой частоте ШИМ, используется способ подключения батареи конденсаторов к входным зажимам НПЧ. Такое решение задачи приводит к дополнительным потерям электроэнергии, т.е. к снижению к.п.д., а также к увеличению массогабаритных показателей НПЧ.

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

Более близким по способу формирования и регулирования выходного напряжения к заявляемому способу является схема однозвенного однокаскадного матричного НПЧ на IGВТ-модулях с двухсторонней -проводимостью, и с высокочастотной, ШИМ, описанная в [3]. Однако в [3] патентуется способ и устройство защиты указанной схемы от аварийных ситуаций, в которой также присутствует блок с компенсирующими конденсаторами, подключенный к входным зажимам.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ формирования высокого напряжения в преобразователе по схеме однозвенного матричного НПЧ каскадного типа, описанной в [4] (прототип).

В указанном преобразователе, построенном на полностью управляемых ключах IGВТ-модулей с двухсторонней проводимостью, соединенных в каждом каскаде по мостовой 3-фазной схеме, реализуется каскадный принцип формирования высокого напряжения на выходе при питании от потенциально изолированных источников питания с использованием программного метода высокочастотной синусоидальной ШИМ для его регулирования. Однако ключи мостовых схем в указанном преобразователе работают в режиме инвертирования с длительностью включенного состояния 120° эл., и для поддержания непрерывности протекания токов в цепях от источников напряжения к фазам электродвигателя используются необходимые в этом случае блоки с компенсирующими конденсаторами.

1.3. Краткое описание чертежей.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображена блок-схема трехфазного матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ с подключенной к нему обмоткой асинхронного электродвигателя.

На фиг.2 изображена электрическая схема одного каскада (матрицы) упомянутого НПЧ, построенного на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью по трехфазной мостовой схеме. В изображенной схеме одного каскада трехфазного моста используются следующие обозначения: 1…6 - управляемые ключи IGВТ-модулей; 7…12 - снабберные конденсаторы; 13 - драйверные устройства; Utm, i2tm, Rtm, Ltm, где (m=а, b, с), - напряжение, токи и параметры фаз вторичной обмотки трансформатора (источника питания); ii (i=1…6) - токи в ключах моста; ~Ud, id, еd, Rd, Ld - выходные напряжение и ток, а также э.д.с. и параметры фазы двигательной нагрузки.

На фиг.3 представлены временные диаграммы управляющих сигналов при формировании высокочастотной синусоидальной ШИМ для ключей одного каскада мостовой схемы и расчетные кривые фазного тока и напряжения на входных и выходных зажимах устройства по заявляемому способу.

В представленных диаграммах и кривых используются следующие обозначения: Uta, Utb, Utc - напряжения фаз вторичной обмотки трансформатора; Uon - опорное высокочастотное пилообразное напряжение; Uy - напряжение управления скважностью синусоидальной ШИМ; J1, J2, J3 - функции разрешения ШИМ плечей моста; K1, К2…К6 - функции состояния плечей моста; idA, idB, idC, UdA, UdB, UdC - расчетные фазные токи и напряжения на выходе НПЧ по схеме фиг.1 (на зажимах электродвигателя).

1.4. Раскрытие изобретения

Заявленный способ реализуется в устройстве матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ, в котором обеспечивается по сравнению с прототипом [4] повышение к.п.д. и уменьшение его массогабаритных показателей за счет исключения блоков с компенсирующими конденсаторами при сохранении высоких параметров качества электроэнергии как со стороны питающей сети, так и на стороне электродвигателя.

Указанный технический результат достигается введением естественного спада реактивных (индуктивных) токов в фазах источников питания при их коммутации в мостовых схемах (матрицах) каждого каскада в режиме выпрямления и в фазах электродвигателя при коммутации ключей в режиме формирования и регулирования выходного напряжения методом высокочастотной синусоидальной двуполярной ШИМ.

Устройство матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной. синусоидальной ШИМ, реализующее заявленный способ, состоит из т-фазной силовой части 1 и микропроцессорной системы управления (СУ) 2 с пультом управления 3 (фиг.1). В каждой m-фазе (А;В;С) силовой части 1 содержится n-каскадов мостовых схем 4 (матриц). Входы мостовых схем 4 посредством контакторов 5 подключены к (m×n) потенциально развязанным трехфазным источникам питания (вторичным обмоткам трансформаторов) 6 с низким уровнем напряжения, половина из которых соединена "звездой", а другая: половина - "треугольником", что способствует, улучшению параметров, качества электроэнергии со стороны питающей сети. Кроме того, входы мостовых схем 4 подключены к датчикам напряжения 7, выходы которых в свою очередь соединены с CУ 2.

Выходы n-каскадов мостовых схем 4 каждой фазы соединены между собой последовательно-согласно и подключены с одной стороны через датчики фазных токов 8 к фазам электродвигателя 9, а с другой стороны соединены в общую точку. Каждый каскад силовой части 1 построен на IGВТ-модулях 1…6 (фйг.2) с ключами, двухсторонней проводимости, шунтированными снабберными конденсаторами 7…12 и соединенными по трехфазной мостовой схеме.

Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ реализуется следующим образом.

По сигналу от пульта управления 3 СУ 2 (фиг.1) осуществляет включение контакторов 5 и тем самым подачу питания от (m×n) вторичных обмоток трансформаторов 6 на входы мостовых схем 4 каждого n-го каскада.

Управляющие сигналы, поступающие от СУ 2 на драйверные устройства 13 IGВТ-модулей 1…6 (фиг.2), осуществляют включение и выключение ключей в плечах мостовых схем 4 в режиме выпрямления с углом управления α=0 с длительностью разрешенного открытия ключей (120°+γ) эл. для обеих полуволн выходного напряжения ~Ud. Сигналы от датчиков напряжения 7, поступая в СУ 2, обеспечивают синхронизацию управляющих сигналов ключей мостовых схем 4 по частоте и фазе с э.д.с. (е2tm) вторичных обмоток трансформаторов 6.

Выходные напряжения ~Ud n-каскадов мостовых схем 4 в каждой m-фазе (А; В; С) при их одновременном включении суммируются, что обеспечивает в режиме синусоидальной ШИМ необходимый уровень высокого напряжения. Далее сумма напряжений ~Ud от n-каскадов мостовых схем 4 каждой m-фазы поступает через датчики фазных токов 8 на фазы электродвигателя 9 (фиг.1).

С целью программной реализации режима выпрямления каждой мостовой схемы (фиг.2) вводятся функции разрешения ШИМ ключей, которые синхронизируются по частоте и фазе τ с э.д.с. е2tm (m=а,b,с) источника питания. При этом мгновенные значения функций разрешения ШИМ Ji (i=1, 2, … 6) определяются следующими условиями (для одной из групп моста) (фиг.3):

Начальные условия J1=J2=J3=0

Увеличение длительности разрешения включенного состояния ключей относительно общепринятой в [3;4] длительности 120° эл. на угол коммутации, (перекрытия) γ приводит к созданию режима естественного спада реактивных (индуктивных) токов i2tm, где m=а, b, с (фиг.2), при их коммутации в мостовой схеме. При этом длительность угла коммутации γ на момент начала каждой коммутаций вычисляется по функциональной зависимости:

где: Хγ = индуктивное сопротивление (приведенное) фазы источника питания (вторичной обмотки трансформатора);

id - текущее мгновенное значение выходного тока (фазного тока электродвигателя) на момент начала коммутации;

E2t - фазная э.д.с. (действующее значение) источника питания (вторичной обмотки трансформатора).

Указанную зависимость угла коммутации γ в функции текущего значения тока id (фазного тока электродвигателя 9) обеспечивает программа работы СУ 2 на основе информации, получаемой, от датчиков фазных токов 8 (фиг.1).

Кроме того, СУ 2 непрерывно формирует известным [1; 2] программным способом сигналы (прямые и инверсные) высокочастотной, синусоидальной ШИМ с регулируемой скважностью (фиг.3) на основе сравнения опорного напряжения Uоп пилообразной формы и напряжения управления Uy синусоидальной формы.

При совпадении сигналов синусоидальной ШИМ с функциями разрешения, ШИМ Ji предыдущего режима выпрямления формируются управляющие сигналы на включение и выключение ключей в плечах мостовых схем, осуществляя двуполярное (положительное, или отрицательное) подключение «выпрямленных» напряжений ~Ud (фиг.2) одновременно от каждого каскада 3-фазных источников питания 6 к соответствующим фазам электродвигателя 9 (фиг.1).

Для программной реализации состояния ключей в плечах мостовой схемы (фиг.2) используются функции состояния плеч Кi, где: i=1, 2, 3, 4, 5, 6. Если плечо моста открыто, то Ki=7. Если плечо моста закрыто, то Кi=0 (фиг.3). При двуполярной ШИМ для плечей противоположной группы моста справедливо их инверсное состояние:

где

При работе мостовой схемы в режиме синусоидальной двуполярной ШИМ значения функций Ki определяются следующими условиями:

К123456=0,

Таким образом, за счет введения естественного спада реактивных (индуктивных) токов в фазах вторичных обмоток трансформаторов при их коммутации в n-каскадах мостовых схемах каждой m-фазы НПЧ и в фазах электродвигателя при коммутации ключей на частоте двуполярной ШИМ обеспечивается непрерывность протекания токов от источников питания к фазам электродвигателя. Тем самым исключается необходимость в блоках с компенсирующими конденсаторами на входных зажимах каждого каскада матричного НПЧ.

1.5. Осуществление изобретения.

Заявленный способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ и программное обеспечение к нему реализованы в опытном образце устройства по схеме фиг.1 без блоков с компенсирующими конденсаторами. Упомянутый опытный образец предназначен для регулирования высоковольтного гребного электродвигателя в системе электродвижения перспективных крупнотоннажных судов, например судов ледового плавания и нового поколения ледоколов.

На фиг.3 изображены временные диаграммы управляющих сигналов при формировании высокочастотной синусоидальной двуполярной ШИМ для одного каскада мостовой схемы НПЧ и кривые фазных токов и напряжений на его входных и выходных зажимах, рассчитанные на основе математической модели системы в составе синхронный генератор мощностью 1000 кВт - матричный НПЧ - асинхронный электродвигатель мощностью 800 кВт при частоте питания 50 Гц, выходной частоте 17 Гц и частоте ШИМ 1200 Гц.

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. Method and apparatus for protecting PWM cycloconverter. Sawa Toshihiro, … Патент Яп. № ЕР 1154552, кл. Н02М 5/27 от 14.11.2001.

4. Матричный каскадный преобразователь частоты типа СIМR-МХ1S на IGВТ-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.

1. Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ, содержащего в m-фазной силовой части n каскадов 3-фазных мостовых схем на IGВТ-модулях с ключами двухсторонней проводимости, шунтированных снабберными конденсаторами, причем выходы мостовых схем соединены последовательно-согласно, а входы подключены к (m×n) потенциально развязанным 3-фазным источникам питания (вторичным обмоткам трансформаторов), использующий в микропроцессорной системе управления известный программный способ формирования управляющих сигналов методом высокочастотной синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с регулируемой скважностью для управления моментом включения и выключения ключей указанных n каскадов мостовых схем, отличающийся тем, что управляющие сигналы на частоте питания обеспечивают режим выпрямления с углом управления α=0 и с длительностью разрешения на включенное состояние ключей (120°+γ) эл. как для положительной, так и для отрицательной полуволн выходного напряжения, а на высокой частоте синусоидальной ШИМ при совпадении с предыдущим режимом осуществляют двуполярное (положительное или отрицательное) подключение фаз 3-фазных источников питания каждого n-го каскада одновременно к соответствующим фазам электродвигателя, где γ - угол естественного спада тока в фазах источников питания на момент начала каждой коммутации вычисляется по формуле
Хγ - индуктивное сопротивление (приведенное) фазы источника питания (вторичной обмотки трансформатора);
id - текущее мгновенное значение тока электродвигателя;
E2t - фазная эдс (действующее значение) источника питания (вторичной обмотки трансформатора).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотнорегулируемом электроприводе. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотно-регулируемом электроприводе. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах генерирования электрической энергии или системах гарантированного электропитания, в которых статические стабилизированные источники электрической энергии включаются параллельно на общую нагрузку.

Изобретение относится к области электротехники. .

Изобретение относится к преобразователям частоты, в частности к умножителям трансформаторного типа, и может быть использовано в качестве источника питания потребителей тока от 50 до 400 Гц.

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании систем управления с вентильными преобразователями частоты для индукционных нагревателей.

Изобретение относится к преобразователям частоты, в частности к умножителям трансформаторного типа, и может быть использовано в качестве источника питания потребителей тока 100 и 200 Гц.

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано для регулирования частоты и величины напряжения питания асинхронных электрических двигателей.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может служить для плавного регулирования напряжения и частоты в многофазных системах вторичного электропитания при минимальных массогабаритных показателях согласующего трансформатора.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для уменьшения массогабаритных показателей согласующих трансформаторов и количества управляемых вентилей в схемах непосредственных преобразователей частоты, предназначенных прежде всего для регулируемого электропривода переменного тока.

Изобретение относится к преобразователям частоты, в частности к умножителям трансформаторного типа, и может быть использовано в качестве источника питания потребителей тока 400 Гц

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в частотно-регулируемом электроприводе

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, в инверторах частоты для управления трехфазными двигателями

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано во вращающихся электрических машинах

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах частотно-токового электропривода в качестве управляемого источника тока, обладающего свойством задавать фазу тока статорных обмоток двигателя изменением угла управления вентилями

Изобретение относится к области электротехники, к управлению преобразователем, связанным, по меньшей мере, с одним из источников бесперебойного питания. Техническим результатом является устранение искажений из сигнала управления, улучшение работы преобразователя, снижение гармонических искажений и субгармонических колебаний из сигнала управления. В преобразователе частоты и стабилизации напряжения источника бесперебойного питания (ИБП) контролируют и управляют входным сигналом в преобразователе в одном или более из ИБП. Искажение, обусловленное, по меньшей мере, частично напряжением пульсации, может быть удалено из сигнала управления, который управляет входным током в преобразователь. Системы и способы, описанные в материалах настоящей заявки, обеспечивают простой эффективный способ для снижения или устранения одного или более из субгармонического колебания и суммарного гармонического искажения из входного тока преобразователя во время синхронного и асинхронного режимов работы. Преобразователь может включать в себя один или более из выпрямителя и инвертора. 4 н. и 29 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования переменного напряжения или тока в переменное напряжение или ток без промежуточного пеобразования в постоянное напряжение или ток. Техническим результатом является обеспечение произвольного и непрерывного регулирования прохождения тока от входного фазного вывода к выходным фазным выводам прямого преобразователя. Прямой преобразователь (1) снабжен n входными фазными выводами (U1, V1, W1) и p выходными фазными выводами (U2, V2, W2), где n≥2 и p≥2, n·p двухполюсными коммутационными элементами (2) для переключения, по меньшей мере, одного положительного и, по меньшей мере, одного отрицательного напряжения между полюсами. Каждый выходной фазный вывод (U2, V2, W2) последовательно соединен с каждым входным фазным выводом (U1, V1, W1) через один коммутационный элемент (2). Для обеспечения произвольного и непрерывного регулирования прохождения тока от входного фазного вывода к выходному фазному выводу прямого преобразователя и для обмена электрической энергией между двухполюсными коммутационными элементами в каждое последовательное соединение включена по меньшей мере одна индуктивность (3). 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к области электротехники и представляет собой устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты (МКПЧ) непосредственного типа с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), каждый каскад которого построен по мостовой 3-фазной схеме, в каждом плече которого используются полностью управляемые ключи IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью. Предложенное устройство по сравнению с прототипом характеризуется более гибким процессом реализации защиты, обеспечивая при этом технический результат - существенное повышение работоспособности МКПЧ при возникновении аварийной ситуации. Устройство защиты при возникновении аварийной ситуации в одном из каскадов обеспечивает постоянное включение его плеч на управляемых ключах IGBT-модулей, тем самым шунтируя его, а также отключение аварийного каскада от источника питания. Причем остальные каскады продолжают функционировать в прежнем режиме, сохраняя работоспособность МКПЧ в целом. Предложенное устройство защиты разработано и изготовлено в виде отдельной конструкции с двумя блоками защиты для установки в опытном образце матричного каскадного преобразователя частоты, предназначенного для питания гребного электродвигателя переменного тока высокого напряжения. 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях входного тока или входного напряжения. Технический результат - уменьшение нежелательных циркулирующих токов. В способе работы преобразовательная схема содержит n входных фазовых выводов (U1, V1, W1) и р выходных фазовых выводов (U2, V2, W2), где n≥2 и р≥2, (n-р) двухполюсных коммутационных ячеек (2) для коммутации, по меньшей мере, одного положительного и, по меньшей мере, одного отрицательного напряжений между полюсами. Каждый выходной фазовый вывод (U2, V2, W2) последовательно соединен с каждым входным фазовым выводом (U1, V1, W1) соответственно через коммутационную ячейку (2). Каждая коммутационная ячейка (2) содержит управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые ключи с управляемым односторонним направлением прохождения тока и емкостной накопитель энергии; силовые полупроводниковые ключи коммутационных ячеек (2) управляются с помощью управляющего сигнала (S1). К каждому последовательному соединению подключена, по меньшей мере, одна индуктивность (6). Коммутационная ячейка (2) образует вместе с индуктивностью (6) фазовый модуль (1). Для каждого фазового модуля (1) формируется управляющий сигнал (S1) на основе опорного сигнала (Vref.U1) в отношении напряжения (U1) через фазовый модуль (1) и сигнала (VL) напряжения на индуктивности (6). Сигнал (VL) напряжения на индуктивности (6) формируется на основе промежуточного задаваемого значения (ΔiU1) тока (iU1) через фазовый модуль (1). 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в инверторе для предоставления масштабируемого по частоте выходного сигнала инвертора, в особенности с высокой выходной мощностью. Технический результат - создание инвертора с низкими затратами для высоких напряжений или высоких мощностей. Инвертор содержит схему управления (12) для управления частотой выходного сигнала инвертора согласно задаваемому значению. Схема управления (12) в соответствии с изобретением выполнена таким образом, чтобы для генерации сигнала со значением частоты, заданным для выходного сигнала инвертора, вызывать смещение по времени сигналов и наложение сигналов для получения сигнала со значением частоты, заданным для выходного сигнала инвертора. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх