Устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты

Использование: в области электротехники. Технический результат - увеличение надежности срабатывания при упрощении процесса реализации. Устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты, содержащего в каждой m-фазе силовой части n-каскадов (матриц) мостовых схем на IGBT-модулях, причем входы мостовых схем каждого каскада посредством контакторов подключены к (m×n) потенциально развязанным 3-фазным источникам питания, микропроцессорную систему управления (СУ), формирующую управляющие оптосигналы для драйверных устройств, осуществляющих включение, выключение и токовую защиту ключей каскадов мостовых схем, состоящее из (m×n) блоков с компенсирующим конденсатором, каждый из которых посредством 3-фазного выпрямителя подключен ко входам указанных мостовых схем, при этом в схему каждого блока введены датчик тока и пороговый элемент (варистор), включенные последовательно с компенсирующим конденсатором, шунтированным балластным резистором, выходы датчиков тока попарно суммируют и через платы преобразователей сигналов соединяют с СУ, которая обеспечивает по сигналу от датчика тока лавинообразные процессы выключения ключей IGBT-модулей остальных каскадов в этой и в других фазах и отключения контакторов на входах мостовых схем каждого каскада. 3 ил.

 

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.

2. Уровень техники.

Известно устройство управления 3-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].

В указанном преобразователе частоты в качестве устройства компенсации реактивных (индуктивных) токов питающей сети при коммутации ключей на частоте ШИМ, в т.ч. в аварийных ситуациях при ошибках коммутации, используется способ подключения батареи конденсаторов к входным зажимам НПЧ. Такое решение задачи приводит к дополнительным потерям электроэнергии, т.е. к снижению кпд в нормальных режимах НПЧ, а также к увеличению массогабаритных показателей.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству является способ и устройство защиты матричного однокаскадного НПЧ на управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью и высокочастотной ШИМ, описанное в [3] (прототип). В указанном НПЧ используется достаточно сложный алгоритмический способ защиты, который включает в себя стадию выявления ошибки коммутации, а затем реализацию самой защиты, требующей соответствующего программирования.

Однако такой способ защиты сам по себе подвержен воздействию ошибок и сбоям программирования. Кроме того, в устройстве защиты присутствует блок с компенсирующим конденсатором, который посредством 3-фазного выпрямителя подключен к входным зажимам и, следовательно, длительно находится под выпрямленным напряжением питающей сети, что приводит к снижению кпд в нормальных режимах работы НПЧ.

3. Краткое описание чертежей.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображена блок-схема известного матричного 4-каскадного преобразователя частоты (МКПЧ) с высокочастотной синусоидальной ШИМ [4] и предлагаемого устройства его защиты.

В представленной блок-схеме фиг.1 используются следующие обозначения:

1 - силовая часть МКПЧ; 2 - микропроцессорная система управления (СУ); 3 - волоконно-оптическая линия связи; 4 - каскад (матрица) МКПЧ; 5 - вакуумный контактор; 6 - потенциально развязанные источники питания (вторичные обмотки трансформатора); 7 - блок устройства защиты; 8 - сумматор; 9 - плата преобразователя оптического; 10 - плата преобразователя опто-сигналов; 11 - плата обратного преобразования оптосигналов; 12 - устройство управления контакторов; Usa, Usb, Usc - напряжения питающей сети.

Каждый каскад (матрица) рассматриваемого МКПЧ построен на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью по мостовой схеме. На фиг.2 изображены электрическая схема одного каскада (матрицы) упомянутого МКПЧ и схема одного блока устройства защиты.

В представленной схеме (фиг.2) одного каскада используются следующие обозначения:

4.1 - ключи IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью; 4.2 - платы драйверных устройств; 7.1 - 3-фазный выпрямитель; 7.2 - датчик тока; 7.3 - пороговый элемент (варистор); 7.4 - компенсирующий конденсатор; 7.5 - балластный резистор; Utm, i2tm, Ltm, где (m=а, b, с) - напряжения, токи и собственные индуктивности фаз вторичной обмотки трансформатора (источника питания); ΔUta, ΔUtb, ΔUtc - перенапряжения в фазах источника питания; ~Ud, id, Rd, Ld - выходные напряжения, ток и параметры эквивалентной нагрузки одного каскада.

На фиг.3 изображен внешний вид устройства защиты с двумя блоками, расположенными на общей плате, установленной в опытном образце МКПЧ.

4. Раскрытие изобретения.

Предлагаемое устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты по сравнению с прототипом [3] характеризуется более простым процессом реализации защиты, в частности в нём отсутствует стадия выявления ошибки коммутации, и тем самым обеспечивается увеличение надёжности срабатывания защиты.

Указанный технический результат достигается за счет отказа от алгоритмического способа защиты при одновременном введении в каждый блок с компенсирующим конденсатором, присутствующий в прототипе [3], датчика тока и порогового элемента (варистора) с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Предлагаемое устройство защиты m-фазного (А;В;С) матричного n-каскадного преобразователя частоты (фиг.1), состоящего из силовой части 1, микропроцессорной системы управления (СУ) 2 и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) 3, включает в себя n×m блоков 7, входные зажимы каждого из которых соединены с входными зажимами питания одного из n×m каскадов 4.

В состав каждого блока устройства защиты 7 входит (фиг.2) 3-фазный выпрямитель 7.1, выход которого через датчик тока 7.2 и пороговый элемент (варистор) 7.3 соединен с компенсирующим конденсатором 7.4, шунтированным балластным резистором 7.5.

Выходы датчиков тока 7.2 каждого блока 7 попарно посредством сумматора 8 объединены в один общий канал, соединенный с платой преобразователя оптического 9, который в свою очередь по каналам ВОЛС 3 подключен к микропроцессорной СУ 2. Последняя по каналам ВОЛС 3 через платы преобразователей оптосигналов 10 соединена с платами драйверных устройств 4.2, обладающих функцией собственной защиты ключей IGBT-модулей 4.1 от токов (i2ta; i2tb; i2tc при перегрузках и коротких замыканиях (к.з.).

Кроме того, СУ 2 (фиг.1) по каналам ВОЛС 3 соединена с платой обратного преобразования оптосигналов 11, выход которой подключен к устройству управления 12 контакторами 5.

Предлагаемое устройство защиты работает следующим образом: Если во время нормальной работы в одном из каскадов 4 (фиг.2) какой-либо фазы МКПЧ возникает аварийная ситуация по одной из следующих причин:

- из-за срабатывания собственной защиты какого-либо драйверного устройства 4.2 на отключение ключей IGBT-модуля 4.1 от токов перегрузки или к.з. во входной или выходной цепи;

- из-за обрыва в цепях формирования или канализации управляющих электро- или оптосигналов на включение ключей IGBT-модулей 4.1;

- из-за программной ошибки в алгоритме коммутации ключей IGBT-модулей 4.1,

то цепь питания этого каскада 4 хотя бы по одной фазе оказывается разомкнутой.

В результате из-за разрыва цепи входных токов (i2ta; i2tb; i2tc) собственные индуктивности (Lta; Ltb; Ltc) источника питания (вторичной обмотки трансформатора) 6 вызывают всплеск перенапряжений (ΔUta; ΔUtb; ΔUtc). При превышении перенапряжений уровня, определяемого пороговым элементом (варистором) 7.3, входные токи (i2ta; i2tb; i2tc) замыкаются по цепи: 3-фазный выпрямитель 7.1 - датчик тока 7.2 - пороговый элемент 7.3 - компенсирущий конденсатор 7.4 - балластный резистор 7.5.

Возникший электрический сигнал на выходе датчика тока 7.2 поступает на плату преобразователя оптического 9, который формирует оптосигнал и по каналу ВОЛС 3 передает его в микропроцессорную СУ 2. Последняя в соответствии с программой ее работы прерывает поступление управляющих оптосигналов на платы драйверных устройств 4.2 остальных каскадов в этой и в двух других фазах, осуществляя выключение ключей всех IGBT-модулей 4.1 МКПЧ. Кроме того, СУ 2 (фиг.1) формирует оптосигналы на отключение контакторов 5, которые по каналам ВОЛС 3 поступают на платы обратного преобразования оптосигналов 11 в электрические сигналы, воздействующие на устройства управления 12 контакторов 5 каждого каскада 4 в каждой фазе (А;В;С).

Таким образом, после возникновения аварийной ситуации в одном из каскадов 4 какой-либо фазы хотя бы по одной из вышеперечисленных причин входная цепь 3-фазного питания оказывается разомкнутой и реактивная энергия источника питания 6 автоматически компенсируется предлагаемым устройством защиты 7, вызывая лавинообразные процессы выключения ключей IGBT-модулей 4.1 остальных каскадов в этой и в других фазах и отключения контакторов 5 на входах мостовых схем каждого каскада 4 во всех фазах (А;В;С) МКПЧ. Причем на компенсирующем конденсаторе 7.4 в исходном состоянии благодаря наличию порогового элемента 7.3 отсутствует напряжение, что способствует повышению кпд в нормальных режимах работы МКПЧ по сравнению с НПЧ прототипа [3].

5. Осуществление изобретения.

Предлагаемое устройство защиты разработано и изготовлено в виде отдельной платы с двумя блоками по схеме фиг.2 для установки в опытном образце матричного каскадного преобразователя частоты, предназначенного для питания гребного электродвигателя переменного тока высокого напряжения.

На фиг.3 изображен внешний вид устройства защиты с двумя блоками, расположенными на общей плате, установленной в шкафу опытного образца матричного 4-каскадного преобразователя частоты типа НПЧ-4,5-100УХЛ4 по схеме фиг.1 мощностью 1,0 МВт.

Литература

1. Устройство и способ управления обратимым преобразователем энергии переменного тока в энергию переменного тока. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А. и др. Патент RU №2265947 С2, кл. Н02М 5/27 от 09.07.2002.

2. Способ преобразования частоты. Шрейнер Р.Т., Кривовяз В.К. и др. Патент RU №2269860 С2, кл. Н02М 5/16 от 16.09.2003.

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

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).

Устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты, содержащего в каждой m-фазе силовой части n-каскадов (матриц) мостовых схем на IGBT-модулях с ключами двухсторонней проводимости, причем входы мостовых схем каждого каскада посредством контакторов подключены к (m×n) потенциально развязанным 3-х фазным источникам питания (вторичным обмоткам трансформаторов), микропроцессорную систему управления (СУ), формирующую управляющие оптосигналы для драйверных устройств, осуществляющих включение, выключение и токовую защиту ключей указанных каскадов мостовых схем, состоящее из (m×n) блоков с компенсирующим конденсатором, каждый из которых посредством 3-х фазного выпрямителя подключен ко входам указанных мостовых схем, отличающееся тем, что в схему каждого блока введены датчик тока и пороговый элемент (варистор), включенные последовательно с компенсирующим конденсатором, шунтированным балластным резистором, причем выходы датчиков тока попарно суммируют и через платы преобразователей сигналов соединяют с микропроцессорной СУ, которая при возникновении аварийной ситуации в одном из каскадов обеспечивает по сигналу от датчика тока лавинообразные процессы выключения ключей IGBT-модулей остальных каскадов в этой и в других фазах и отключения контакторов на входах мостовых схем каждого каскада.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям и может быть использовано для непосредственного преобразования трехфазного переменного напряжения в переменное, регулируемое по величине и частоте.

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для использования в электроприводах переменного тока, управляемых оптоэлектронными изоляторами, и источниках вторичного электропитания.

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям и может быть использовано для безтрансформаторного непосредственного преобразования трехфазного переменного напряжения в переменное, регулируемое по величине и частоте.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления трехфазным статическим преобразователем при несимметричной нагрузке, входящим в состав автономной системы генерирования электрической энергии, системы бесперебойного электропитания, системы электроснабжения и др.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в приводах электровозов с асинхронными электродвигателями при питании от сетей переменного или постоянного тока, что свойственно для протяженных скоростных магистралей, имеющих участки сети переменного и постоянного тока.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в автономных системах электроснабжения для стабилизации частоты и напряжения источников электроэнергии с повышенной частотой генерируемого напряжения.

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

Изобретение относится к устройствам широкополосного преобразования частоты, ведомых сетью, и может быть использовано в электроприводе для управления скоростью асинхронных электродвигателей

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока для летательных аппаратов. Система содержит синхронный генератор без вывода нулевого провода с возбуждением от постоянных магнитов и шестифазной обмоткой на статоре, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме шестифазного реверсивного выпрямителя, в котором последовательно с каждой парой встречно-параллельно соединенных тиристоров включен дроссель, к выходу каждой выходной фазы подключен конденсатор низкочастотного фильтра, в статический преобразователь электрической энергии вводится еще одна фаза непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, выход данной фазы соединен с нулевым проводом нагрузок системы генерирования. Технический результат - повышение входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии. 4 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при конструировании высоковольтных малогабаритных выпрямителей для электропитания мощной радиоэлектронной аппаратуры. Технический результат заключается в повышении надежности устройства на пробой. Для этого заявленное устройство, собранное по трехфазной мостовой схеме выпрямления, дополнительно содержит диэлектрический стержень, установленный в центре трехфазного трансформатора, выполненный с резьбовой поверхностью на незакрепленном конце и гайкой, фиксирующей последовательно размещенные на нем первую коллекторную шайбу, первый высоковольтный конденсатор, металлическую шайбу, второй высоковольтный конденсатор, вторую коллекторную шайбу, а также диэлектрические центрирующие шайбы, которые установлены в центральные цилиндрические отверстия коллекторных и металлической шайб. При этом толщина диэлектрических центрирующих шайб соответствует толщине коллекторных шайб и металлической шайбы, в которые они установлены. Начала вторичных обмоток соединены по схеме «звезда» посредством металлической шайбы, а концы вторичных обмоток с соответствующими анодами полупроводниковых вентилей катодной группы и катодами полупроводниковых вентилей анодной группы - пайкой. Катоды полупроводниковых вентилей катодной группы соединены посредством второй коллекторной шайбы. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет передачи n-фазного напряжения по двухпроводной сети. Устройство передачи n-фазной системы напряжений по двухпроводной сети, содержащее нагрузку 13i (i=1…n), нулевой провод С0-С0вых, подключенный к нулевой точке многофазной системы ЭДС по схеме «звезда», первую группу ключей 9i (i=1…n), n входов 8i (i=1…n) фаз многофазной системы ЭДС, каждая из которых подсоединена к первому входу одноименного ключа 9i (i=1…n) первой группы, дополнительно включены вторая группа ключей 12i (i=1…n), генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, элемент И 2, счетчик 3, схема сравнения 4, регистр 5, дешифратор 6, первые формирователи сигналов 7i (i=1…n), группа элементов задержки 10i (i=1…n), вторые формирователи сигналов 11i (i=1…n), выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 15 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 6 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 14 устройства, выходы дешифратора 6 подсоединены к входам одноименных первых формирователей сигналов 7i (i=1…n) и через одноименные элементы задержки 10i (i=1…n) к входам одноименных вторых формирователей сигналов 11i (i=1…n), выходы первых формирователей сигналов 7i (i=1…n) подсоединены к управляющим входам ключей 9i (i=1…n) первой группы, выход каждого из которых подсоединен к входной линии передачи С1, выход которой подсоединен к выходной линии передач С1вых, выход которой подсоединен к первым входам второй группы ключей 12i (i=1…n), управляющий вход каждого из которых подсоединен к выходу одноименных вторых формирователей сигналов 11i (i=1…n), а выход - к нагрузке 13i (i=1…n). 1 ил.

Изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано для получения регулируемого и стабилизированного трехфазного переменного напряжения. Регулятор может быть использован как стабилизатор трехфазного переменного напряжения, безтрансформаторное устройство повышения переменного напряжения, регулируемый источник стабильного переменного напряжения и как устройство плавного пуска асинхронных двигателей. Регулятор содержит на входе реактор, включенный в источник питания, причем в него введены в каждую фазу по одному конденсатору, который параллельно соединен с источником питания со своим реактором, также введены два трехфазных диодных моста и два транзистора, вход первого трехфазного диодного моста соединен с одним концом цепи, состоящей из источника питания, конденсатора и реактора, а к выходу первого диодного моста подсоединен первый транзистор, при этом другой конец цепи соединен с вторым трехфазным диодным мостом, к выходу которого подсоединен второй транзистор, также к входу этого трехфазного диодного моста подсоединена нагрузка, состоящая из последовательно соединенных реактора и активного сопротивления. Технический результат - обеспечивает регулирование и повышение напряжения без использования трансформатора сетевого напряжения. 3 ил.

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано для получения регулируемого и стабилизированного трехфазного переменного напряжения, причем качество входного и выходного токов остается высоким, а входной ток имеет к тому же опережающий характер по отношению к входному напряжению. Технический результат заключается в создании регулятора переменного напряжения с широким диапазоном регулирования. Для этого предлагаемый регулятор переменного напряжения содержит в каждой фазе реакторы, включенные последовательно с источником питания и нагрузкой, два трехфазных диодных выпрямительных моста, две группы накопительных конденсаторов, включенные последовательно соответственно первой и второй группой между точками соединения реакторов с выводами нагрузки и выводами переменного тока обоих трехфазных диодных выпрямительных мостов, а к выводам постоянного тока каждого диодного выпрямительного моста подключены в проводящем направлении транзисторы. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в многокаскадных высоковольтных преобразователях частоты, фазы которых состоят из группы последовательно соединенных силовых преобразовательных ячеек. Технический результат - уменьшение колебаний электроэнергии, потребляемой преобразователем из сети при изменениях его нагрузки. В каждой фазе преобразователя частоты последовательно соединены однофазные ячейки (1-5), входы которых подключены к вторичным обмоткам многообмоточного силового трансформатора (6). Каждая однофазная ячейка содержит управляемый выпрямитель (7), инвертор (8) напряжения с широтно-импульсной модуляцией и блок управления (12). Выход инвертора (8) шунтирован первым коммутатором (9). В каждой фазе преобразователя часть однофазных ячеек снабжена накопителем электроэнергии (10), который через второй коммутатор (11) подключен к выходу выпрямителя (7). Блок управления (12) каждой однофазной ячейки, снабженной накопителем (10), выполнен с возможностью перевода этой ячейки в режим накопления энергии и в режим выдачи накопленной энергии. В первом из этих режимов выпрямитель (7) и коммутаторы (9) и (11) включены, а инвертор (8) выключен. Во втором режиме выпрямитель (7) и коммутатор (9) выключены, коммутатор (11) включен, инвертор (8) включен и работает. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электропривода с пониженной частотой вращения, а также в установках депарафинизации нефтяных скважин. Техническим результатом является увеличение надежности за счет отсутствия разрыва тока в силовой цепи, повышение качества выходного напряжения и повышение электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью. В преобразователе частоты используется способ управления многофазным реверсивным мостом, подключенным к вторичной круговой обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем, где система импульсно-фазового управления обеспечивает нарастающую задержку сигналов управления ключами, коммутирующими отводы круговой обмотки, относительно фазы питающей сети. Коммутация производится между парами отводов, в момент равенства их ЭДС, что в результате обеспечивает понижение частоты основной гармоники выходного напряжения и отсутствие разрыва кривой тока при коммутации отводов круговой обмотки. 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электропривода с пониженной частотой вращения, а также в установках депарафинизации нефтяных скважин. Техническим результатом является увеличение надежности за счет отсутствия разрыва тока в силовой цепи, повышение качества выходного напряжения и повышение электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью. В преобразователе частоты используется способ управления многофазным реверсивным мостом, подключенным к вторичной круговой обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем, где система импульсно-фазового управления обеспечивает нарастающую задержку сигналов управления ключами, коммутирующими отводы круговой обмотки, относительно фазы питающей сети. Коммутация производится между парами отводов, в момент равенства их ЭДС, что в результате обеспечивает понижение частоты основной гармоники выходного напряжения и отсутствие разрыва кривой тока при коммутации отводов круговой обмотки. 3 ил.

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и обеспечивает технический результат - возможность повышения эффективности процесса преобразования частоты, расширение функциональных возможностей, области использования и - уменьшения массогабаритных показателей частотного привода. Частотный электропривод содержит входные зажимы A, B, C для подключения питающей трехфазной сети, коммутирующие элементы и асинхронный электродвигатель, включающий ротор, окруженный статором, содержащим трехфазные обмотки. Трехфазные обмотки выполнены с возможностью обеспечения совместно с соответствующими им коммутирующими элементами модулирования параметров электроэнергии трехфазного переменного тока питающей сети. В варианте выполнения статор имеет три одинаково выполненных части, которые расположены последовательно вдоль короткозамкнутого ротора. Каждая из частей статора включает две трехфазные обмотки. В каждой из частей начальные выводы фазных обмоток одной трехфазной обмотки и концы фазных обмоток другой трехфазной обмотки подключены к соответствующим входным зажимам A, B и C, а другие выводы каждой из трехфазных обмоток подключены к соответствующему этой трехфазной обмотке коммутирующему элементу. В варианте выполнения коммутирующий элемент выполнен в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом в цепи постоянного тока. Фазные обмотки трехфазных обмоток одной части статора последовательно подключены соответственно к входным зажимам A, B, C, а фазные обмотки трехфазных обмоток других частей статора последовательно подключены соответственно к входным зажимам B, C, A и C, A, B. 5 з.п. ф-лы, 5 илл.
Наверх