Многоуровневый высоковольтный частотно-регулируемый электропривод
В настоящее время в многоуровневом высоковольтном частотно-регулируемом электроприводе (ВЧРП) широкое распространение получила трансформаторная схема ячейкового типа [1]. Данная схема, часто внедряемая в разработках ОАО «ВНИИР», имеет существенный недостаток, а именно большие габариты силового трансформатора.
В патенте на изобретение [2] для уменьшения габаритов силового трансформатора использована известная в преобразовательной технике идея применения высокочастотного трансформатора с промежуточным высокочастотным преобразователем. Принципиальная схема такого электропривода приведена на рис. 1.
Схема выполнена по принципу преобразования напряжения сети 50 Гц в высокочастотное с частотой f1 и его дальнейшего преобразования с помощью трансформатора (2) и инвертора напряжения (4) в выходное регулируемое напряжение с частотой
f2 = (0–50) Гц, поступающее на электродвигатель (6), определяя его скорость вращения. Для обеспечения высоких показателей по потребляемой мощности сетевой выпрямитель (8) содержит корректор коэффициента мощности (ККМ).
В случае выполнения инвертора напряжения (4) по схеме одиннадцатиуровневого ячейкового автономного инвертора напряжения (ЯАИН) обмотки (3) трансформатора (2) выполняются однофазными, и принципиальная схема электропривода имеет вид, показанный на рис. 2.
В схему входят 15 идентичных выпрямительно-инверторных блоков с условным обозначением 0. Данная схема имеет высокий коэффициент мощности и обладает хорошими регулировочными свойствами. Габариты трансформатора (2) определяются произведением числа витков w на поперечное сечение магнитопровода Q:
wQ = U / (4,44Bmf1), (1)
где U — напряжение обмотки, f1 — высокая частота питания (например, f1 ≈ 1 кГц), Bm — максимальная индукция магнитопровода.
В этом случае упрощается схема выпрямительно-инверторного блока (рис. 3).
Блок содержит однофазный выпрямитель на диодах (12–15), конденсатор (16) и однофазный инвертор на транзисторах (17–20) с защитными диодами. Инвертор работает в трех режимах: при появлении отпирающих сигналов на входах управления (21 и 23) на выходе блока получаем U0 > 0, при появлении отпирающих сигналов на входах управления (22 и 24) на выходе имеем U0< 0, при включении транзисторов (17 и 18 либо 19 и 20) U0 = 0. Последовательное включение таких блоков дает возможность в режиме ШИМ-регулирования алгебраически суммировать напряжения в фазах электродвигателя A, B, C (рис. 2). Основной недостаток этой схемы электропривода — наличие высокочастотного преобразователя (7) той же мощности, что и энергетический модуль (1).
В преобразователе (7) целесообразно использовать простую однофазную мостовую схему на транзисторах IGBT или одно- либо двухоперационных тиристорах с питанием выпрямителя (8) от сетей с линейными напряжениями от 380 В до 6 кВ. Особенный интерес представляет вариант с питанием выпрямителя (8) от сети 380 В.
Рассмотрим расчет элементов приведенных схем, исходя из заданного значения количества уровней n в кривой линейного напряжения (рис. 4). Число n определяется максимальным количеством источников питания в контуре линейного напряжения плюс один нулевой уровень.
Например, в ВЧРП с одиннадцатиуровневым ЯАИН имеем n = 2×5 + 1 = 11, чему соответствует наибольшее значение напряжения, равное:
Uлм = 2Ud = (n – 1)U0 = 10U0,
где U0 — напряжение на конденсаторе (9) одной ячейки (выпрямительно-инверторного блока по рис. 3).
Для амплитудного значения первой гармоники линейного напряжения Uлm, выделяемого из ступенчатой кривой напряжения инвертора, при синусоидальной ШИМ в соответствии с [1] имеем:
Uлm = √2Uл = 0,866Uлм, (2)
где Uл — линейное напряжение электродвигателя.
Тогда для ЯАИН количество ячеек, а также вторичных обмоток в одной фазе трансформатора 2 (рис. 2):
Я = 0,5(n – 1), (3)
количество ключей в одной фазе инвертора:
К = 5Я = 2(n – 1),
общее количество ключей в инверторе:
К0 = 3К = 6(n – 1).
Напряжение U0 на входе ячейки с учетом (2) и (3):
Выражение (4) справедливо для наибольшего значения напряжения на ключе ячейки Uкл = U0. Значение Uкл следует определять с коэффициентом запаса 1,5.
Таким образом, для ЯАИН с n = 11 и Uл = 6 кВ требуются ключи IGBT с напряжением:
Uкл = 1,5 × 1,63 × 6000/10 = 1467 В.
- Донской Н. В., Иванов А. Г., Матисон В. А., Ушаков И. И. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и энергетики // Силовая электроника. 2008. № 1.
- Патент на изобретение (19)RU (11)2505918 (13)С2. Высоковольтный частотно-регулируемый электропривод / Иванов А. Г. Опубл. 27.01.2014.