Силовая электроника №4'2011

Бестрансформаторный многоуровневый инвертор для высоковольтного электропривода

Иванов Александр

Ушаков Игорь


Рассматривается возможность создания частотно-регулируемого электропривода на основе мостового многоуровневого автономного инвертора. При этом вместо трансформатора используется сетевой реактор, габаритная мощность которого примерно в 40 раз меньше, чем у соответствующего трансформатора.

В настоящее время известны два типа трехфазных многоуровневых инверторов для высоковольтных частотно-регулируемых приводов (ЧРП) — ячейковый автономный инвертор напряжения (ЯАИН) и мостовой (МАИН) [14]. ЯАИН нашел применение в разработках и поставках ОАО «ВНИИР» высоковольтных электроприводов серии ABS-DRIVE, а МАИН находится в стадии разработки и постоянного совершенствования [46]. Наряду с достоинствами ЯАИН имеет и недостатки — сложный и габаритный многообмоточный трансформатор (ТР) и большое количество конденсаторов.

В [7] отмечается, что фирмой АВВ создан и запатентован электропривод типа ACS 2000, обладающий уникальной возможностью работы через трехфазный реактор непосредственно от сети 6 кВ либо от простого двухобмоточного трансформатора. К сожалению, принципиальные решения фирмой не приводятся. Однако из информационных материалов и диаграммы напряжения на двигателе следует, что в выпрямительном блоке используется транзисторный активный выпрямитель (АВ), а инвертор выполнен по пятиуровневой схеме.

Бестрансформаторная схема представляется весьма привлекательной, так как обеспечивает существенное упрощение ЧРП — уменьшение массы и площади при его размещении у потребителя, рекуперативное торможение двигателя и низкое содержание высших гармоник, вносимых в питающую сеть при наличии АВ. Указанные достоинства побудили авторов разработать подобный привод на базе развиваемой ими в ОАО «ВНИИР» идее МАИН [16]. На рис. 1, 2 приведены принципиальные схемы таких систем на примере пятиуровнего МАИН в двух- и четырехквадрантном исполнении с различными вариантами сетевого преобразователя с реакторным или трансформаторным подключением к сети. На рис. 2 показан вариант, в котором вместо мостового выпрямителя В по рис. 1 использован АВ, выполненный на блоках 23–25, аналогичных блокам 20–22 инвертора И. Такая схема обладает двусторонней передачей энергии и обеспечивает ее рекуперацию при торможении двигателя. Общий емкостной фильтр 1, выполненный на конденсаторах 2–5, является делителем напряжения Ud и обеспечивает снижение напряжения на транзисторах. Разновидностью рассмотренных МАИН являются усовершенствованные схемы по рис. 3 и 4 [56], которые позволяют снизить потери мощности в обратных диодах. В схеме по рис. 3 это осуществляется за счет дополнительного выпрямительного моста 41, каждый диод которого оказывается включенным параллельно соответствующему транзисторному плечу моста инвертора. В варианте по рис. 4 аналогичный результат достигается за счет того, что все обратные диоды объединены в двух общих точках +Ud и –Ud, а сброс энергии двигателя в конденсаторы происходит через диод 16 (17).

 Двухквадрантный электропривод с МАИН

Рис. 1. Двухквадрантный электропривод с МАИН: а) схема (Р — реактор; Тр —трансформатор; В — выпрямитель; М — электродвигатель; 1 — фильтр звена постоянного тока с конденсаторами 2–5; 6–11 — блокирующие диоды; 12–19 — транзисторы с обратными диодами; 20–22 — вентильные блоки фаз МАИН); б) диаграмма линейного напряжения на двигателе
 Четырехквадрантный электропривод с МАИН

Рис. 2. Четырехквадрантный электропривод с МАИН: а) бестрансформаторная схема с обозначением элементов по рис. 1 (дополнительно: АВ — активный выпрямитель; И — инвертор; 20–25 — одинаковые вентильные блоки); б) трансформаторный вариант
 Усовершенствованный МАИН с дополнительным выпрямительным мостом 41

Рис. 3. Усовершенствованный МАИН с дополнительным выпрямительным мостом 41: 1 —звено постоянного тока с многообмоточным трансформатором 2; 9–11 — вентильные блоки фаз МАИН, аналогичных рис. 1
 Усовершенствованный МАИН с групповым включением обратных диодов 12–21

Рис. 4. Усовершенствованный МАИН с групповым включением обратных диодов 12–21 (остальное по рис. 3)

Как показано в [1], аналогично могут быть выполнены МАИН и с другим числом уровней. При этом МАИН с трансформатором используются в случае необходимости гальванической развязки от сети либо для согласования напряжения между сетью и электродвигателем. За счет применения многообмоточного трансформатора с различными группами соединения обмоток возможно дополнительно уменьшить искажения, вносимые ЧРП в сеть.

Исполнение с реактором (Р) проще, чем трансформаторное, но не обеспечивает гальваническую развязку с сетью. При этом реактор предназначен для исключения взаимного влияния приводов при их одновременной работе от общей сети, а также для ограничения токов КЗ, уменьшения нелинейных искажений и радиопомех, вносимых ими в сеть.

Сравним номинальную мощность трехфазных реактора и трансформатора из условия равенства их номинального тока I и напряжения короткого замыкания ek. В этом случае для них имеем одинаковую величину индуктивного сопротивления:

где ek — напряжение короткого замыкания Тр и Р [%], Sтр — номинальная мощность Тр,
Uф — фазное напряжение.

Номинальные мощности Р и Тр соответственно равны:

Из (2) следует:

Учитывая, что мощность первичных и вторичных обмоток трансформатора примерно одинакова, его габаритную мощность условно можно принять равной 2. Тогда для трехфазного реактора, имеющего одну обмотку в фазе (в трансформаторе две), указанная мощность равна 1, а отношение их габаритных мощностей с учетом (3) равно

Например, при ek = 5% n = 40. Следует заметить, что реальная величина ek у реактора может быть значительно меньше 5% и определяется практически из условия ограничения токов КЗ для преобразователя в течение времени действия защиты. В данном примере габаритная мощность реактора в 40 раз меньше, чем эквивалентного трансформатора. При этом следует заметить, что в случае применения ПЧ в качестве пускового устройства из-за кратковременного режима работы его габаритная мощность существенно меньше указанной.

Аналогичные варианты схем могут быть выполнены на базе МАИН и с числом уровней больше пяти.

Литература

  1. Донской Н., Иванов А., Матисон В., Ушаков И. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики // Силовая электроника. 2008. № 1.
  2. Кальсин В. Н., Матисон А. Г., Шепелин В. Ф., Ушаков И. И., Донской Н. В., Иванов А. Г., Матисон В. А. Работы ОАО «ВНИИР» компании АБС «Электро» в области высоковольтного электропривода и силовой электроники // Электротехника. 2011. № 1.
  3. Иванов А. Г. Схемотехнические аспекты многоуровневых автономных инверторов // Электротехника. 2011. № 1.
  4. Пат. № 69353 (РФ) на полезную модель. Многоуровневый мостовой автономный инвертор напряжения / А. Г. Иванов, Н. В. Донской, Г. С. Нудельман, И. И. Ушаков // Бюл. 2007. № 34.
  5. Пат. RU2411627C1 на изобретение. Многоуровневый мостовой автономный инвертор напряжения / А. Г. Иванов, И. И. Ушаков // Бюл. 2011. № 4.
  6. Пат. RU2411628С1 на изобретение. Многоуровневый автономный инвертор напряжения / А. Г. Иванов, И. И. Ушаков // Бюл. 2011. № 4.
  7. Привод переменного тока среднего напряжения ACS 2000, 400–1000 кВА, 6,0–6,9 кВ // Информационные материалы фирмы АВВ. 2010.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_04_42.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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

Онлайн купить новостройки су 22 без первого взноса.