Силовая электроника №1'2008

Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики

Николай Донской

Игорь Ушаков

Владимир Матисон

Александр Иванов

В данной статье рассмотрены схемотехнические возможности повышения выходного напряжения многоуровневых автономных инверторов в условиях ограниченного максимально допустимого напряжения силовых полупроводниковых ключей.

В настоящее время происходит интенсивное внедрение силовой полупроводниковой техники в устройствах передачи электроэнергии по ЛЭП переменного и постоянного тока, а также в высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах [1–7].

В первом случае получают все большее распространение гибкие системы передачи переменного тока (FACTS) на базе полупроводниковых преобразователей (ПП) (СТАТКОМ и HVDC), обеспечивающие регулирование перетоков мощности между энергосистемами, снижение потерь, увеличение пропускной способности и устойчивости ЛЭП, стабилизацию напряжения, компенсацию потребляемой реактивной мощности, уменьшение нелинейных искажений сети и т. д.

Во втором случае потребители получают частотные электроприводы, обеспечивающие высокое качество регулирования скорости двигателей переменного тока, оптимизацию технологических процессов и режимов работы электрооборудования.

Общим вопросом для указанных областей применения является рациональное построение ПП для среднего и высокого уровня напряжений. Лидеры рынка электротехнического оборудования (Siemens, ABB, Mitsubishi Electric, Rockwell Automation, Allen-Bradley и др.) для этих целей широко используют автономные инверторы напряжения с ШИМ-регулированием и последовательным включением полностью управляемых ключей. В качестве ключей используются транзисторы IGBT, двухоперационные тиристоры IGCT и SGCT с электрическим управлением.

Однако при разработке указанных автономных инверторов напряжения на полностью управляемых ключах следует решить первостепенную проблему — обеспечение деления напряжения между последовательно соединенными полупроводниковыми приборами как в статических, так и в динамических режимах. Применение RС-снабберов при реально реализуемых их параметрах приводит к динамическому разбалансу напряжений, подбор приборов по ряду динамических параметров в сочетании со снабберами также имеет существенные недостатки при практическом использовании в производстве. Наиболее радикально данную проблему решает применение многоуровневых автономных инверторов напряжения, которые наряду с делением напряжений на последовательно включенных приборах обеспечивают форму выходного напряжения, приближающуюся к синусоиде. Управление преобразователем в пределах каждой ступени осуществляется методом ШИМ.

В настоящее время наибольшее распространение в частотных электроприводах получают следующие электрические схемы многоуровневых автономных инверторов напряжения:

  1. Трехуровневая мостовая схема (№ 1) с фиксацией нейтрали (топология преобразования NРС). Типичными представителями данного класса систем являются серии преобразователей частоты ACS 1000 фирмы АВВ и Simovert MV фирмы Siemens [1–2].
  2. Пятиуровневая мостовая схема (№ 2), выполненная на базе трехуровневых схем с фиксацией нейтрали (рис. 1). Данная схема разработана и внедрена фирмой АВВ в серии преобразователей частоты для электроприводов ACS5000.
  3. Частотные электроприводы на базе преобразователя ACS5000 фирмы АВВ
  4. Многоуровневая каскадная схема (№ 3) на базе унифицированных вентильных ячеек с многообмоточным трансформатором. Данная схема предложена фирмой Mitsubishi и внедрена в преобразователях частоты MELTRAC-F500HVC [1, 2, 5].

Во всех этих схемах амплитуда выходного линейного напряжения UЛ.М. составляет кратное значение от напряжения U0 звена постоянного тока (на фильтрующем конденсаторе). При этом амплитуда первой гармоники выходного напряжения при ШИМ-регулировании в соответствии с [8] определяется выражением:

При современном уровне высоковольтных полупроводниковых ключей с максимальным напряжением 6,0…6,5 кВ в схемах № 1 и № 2 обеспечивается номинальное выходное линейное напряжение — соответственно 4,16 и 6 кВ. Например, в схеме № 2 наибольшее напряжение на ключе с учетом повышения напряжения в питающей сети на 10% составляет:

Схема № 3 позволяет при низком классе ключей получить высокое выходное напряжение, но обладает рядом недостатков: имеет большое количество полупроводниковых элементов, сложный многообмоточный трансформатор, большое количество источников напряжения с емкостными фильтрами и принципиально не допускает двустороннюю передачу энергии.

В связи с вышеизложенным представляются достаточно перспективными мостовые схемы многоуровневых автономных инверторов напряжения.

Рассмотрим пути увеличения напряжения в мостовых многоуровневых автономных инверторов напряжения.

Наряду с широко распространенной относительно простой трехуровневой схемой многоуровневых автономных инверторов напряжения (n = 3), которая при современной элементной базе имеет ограничения по выходному напряжению до 4 кВ, представляют большой интерес инверторы с числом уровней n ≥ 4.

Далее приводятся предлагаемые авторами новые схемы многоуровневых автономных инверторов напряжения, обеспечивающие высокое напряжение за счет последовательного соединения ключей без применения делителей напряжения.

На рис. 2 приведена четырехуровневая (n = 4) функциональная схема силовой части частотного электропривода, выполненная на транзисторах IGBT. В отличие от трехуровневой схемы здесь есть две общие точки О1 и О2, при этом амплитуда линейного напряжения инвертора, которое может быть достигнуто:

Частотные электроприводы на базе четырехуровневого автономного инвертора напряжения

Наибольшее напряжение на ключе при напряжении двигателя 6 кВ:

При использовании транзисторов на напряжение 6…6,5 кВ имеем коэффициент запаса по напряжению 1,7…1,8.

Аналогично могут быть составлены силовые схемы с большим количеством последовательно соединенных ключей на большее выходное напряжение.

Например, для шестиуровневого многоуровневого автономного инвертора напряжения (рис. 3) при допустимом напряжении на ключе по (3) и с учетом диаграммы на рис. 3б действующее значение выходного линейного напряжения может составить:

частотные электроприводы на базе шестиуровневого инвертора напряжения

Для построения многоуровневых автономных инверторов напряжения целесообразно использовать транзисторные модули типа «чоппер», где ключ и два диода интегрированы в один модуль.

Таким образом, для многоуровневых автономных инверторов напряжения рассматриваемого типа имеем количество уровней:

где m — число ключей, находящихся в плече одной секции моста (число конденсаторов в звене постоянного тока также равно m).

Максимальное прямое напряжение на ключах при этом будет:

Количество общих точек Оi равно (m – 1).

Выбор ключей по напряжению следует производить с более чем 100%-ным запасом.

Приведенные на рис. 2 и 3 схемы имеют нечетное количество ключей в плече многоуровневых автономных инверторов напряжения и четное число уровней. Аналогично могут быть составлены схемы с четным количеством ключей.

Многоуровневые автономные инверторы напряжения мостового типа, так же как и каскадные автономные инверторы напряжения, за счет увеличения числа уровней позволяют использовать ключи на низкое напряжение, но при более простом силовом трансформаторе и меньшем количестве индивидуальных источников постоянного напряжения. При заданном напряжении на ключе количество ключей в обеих схемах одинаковое.

Рассмотренные выше принципы построения многоуровневых автономных инверторов напряжения могут быть использованы также при построении СТАТКОМов для электроэнергетики с использованием как тиристорных, так и транзисторных ключей. На рис. 4 приведен пример пятиуровневого СТАТКОМа, каждое плечо его вентильных секций 19–21 состоит из 4 ключей IGBT (12–14 и 15–18), содержит4 конденсатора 2–5, имеющих 3 общих точки О1…О3, которые соответственно подключены к секциям 19–21. Через зажимы АВС преобразователь подключается параллельно сети, в которой осуществляется компенсация реактивной мощности и мощности искажений.

Силовая часть пятиуровневого автономного инвертора напряжения в установке СТАТКОМ

На базе двух СТАТКОМов может выполняться вставка постоянного тока (ВПТ) в энергосистемах, которая обеспечивает двустороннюю передачу электроэнергии (рис. 4б).

Схема по рис. 4а (m = 4) при использовании транзисторов на 6,0 кВ и 100%-ном запасе по напряжению обеспечивает выходное линейное напряжение в соответствии с (6):

При 25%-ном резервировании ключей (в каждой вентильной секции допускается работа на шести ключах из восьми) СТАТКОМ обеспечит надежную работу в сети линейным напряжением 6 кВ.

К недостаткам рассматриваемых многоуровневых автономных инверторов напряжения следует отнести более высокое обратное напряжение блокирующих диодов, которое для средних диодов (диоды 8, 9 на рис. 4) составляет (m – 1) U0, а для крайних (диоды 6, 11) — U0.

На приведенных схемах (рис. 1–4), являющихся функциональными, не показаны некоторые детали: LС-фильтры, устройства заряда конденсаторов и узлы защиты их от недопустимого превышения напряжения на основе «чопперов».

Для иллюстрации повышения качества напряжения с увеличением числа уровней автономных инверторов напряжения на рис. 5 представлены диаграммы линейных напряжений (в долях от U0), полученные при моделировании на ЭВМ при частоте коммутации 1000 Гц. Гармонический анализ диаграмм показывает, что амплитуда первой гармоники для трехуровневого инвертора UЛ.М.1 = 1,732 × U0, а коэффициент искажения синусоидальности THD = 25,33%. Для пятиуровневого инвертора эти величины соответственно составляют: UЛ.М.1 = 3,464 × U0, а THD = 11,05%.

Диаграммы линейных напряжений

Таким образом, рассмотренные выше новые схемотехнические решения позволяют решить проблему повышения напряжения и мощности многоуровневых автономных инверторов напряжения.

Литература

  1. Bordignon P. Многоуровневые преобразователи источников напряжения для мощных электроприводов и управления энергопотреблением // Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития». Магнитогорск, 2004. Ч. I.
  2. Лазарев Г. Б. Высоковольтные преобразователи для частотного регулируемого электропривода. Построение различных систем // Новости электротехники. 2006. № 2 (32).
  3. Розанов Ю. К. Основные этапы развития и современное состояние силовой электроники // Электричество. 2005. № 7.
  4. Добкин И. Д., Таратута И. П., Чуприков В. С. Разработка преобразователя СТАТКОМ-10/10000 // VIII симпозиум «Электротехника 2010», 24–26 мая 2005 г.
  5. Шавелкин А. А. Вариант схемы многоуровневого преобразователя частоты для электропривода среднего напряжения // Электротехника. 2005. № 11.
  6. Электропривод ACS5000 переменного тока среднего напряжения для управления двигателями с напряжением до 6,9 кВ. ADVL ОСО219САТ06АRU // Технический каталог фирмы АВВ, август 2006.
  7. Ситников В. Ф., Рябчицкий М. В., Смирнов М. И. Выбор силовых электронных ключей для преобразователей в электроэнергетике // Электротехника. 2007. № 4.
  8. Поздеев А. Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах. Чебоксары,1998.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2008_1_43.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо