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.

Рис. 1. ВЧРП с высокочастотным трансформатором:
1 — энергетический модуль;
2 — высокочастотный трансформатор;
3 — вторичные однофазные обмотки;
4 — ячейковый автономный инвертор напряжения (ЯАИН);
5 — система управления;
6 — электродвигатель;
7 — высокочастотный преобразователь;
8 — сетевой выпрямитель с корректором коэффициента мощности (ККМ);
9 — конденсаторный фильтр;
10 — преобразователь постоянного напряжения в переменное;
11 — трехфазный реактор

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.

Рис. 2. ВЧРП с одиннадцатиуровневым ячейковым автономным инвертором напряжения:
0 — выпрямительно-инверторный блок;
1 — энергетический модуль;
2 — высокочастотный трансформатор;
3 — вторичные однофазные обмотки;
4 — ячейковый автономный инвертор напряжения (ЯАИН);
5 — система управления;
6 — электродвигатель;
7 — высокочастотный преобразователь;
8 — сетевой выпрямитель с корректором коэффициента мощности (ККМ);
9 — конденсаторный фильтр;
10 — преобразователь постоянного напряжения в переменное;
11 — трехфазный реактор

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 / (4,44B_mf₁),                           (1)

где U — напряжение обмотки, f₁ — высокая частота питания (например, f₁ ≈ 1 кГц), B_m — максимальная индукция магнитопровода.

В этом случае упрощается схема выпря­мительно-инверторного блока (рис. 3).

Рис. 3. Выпрямительно-инверторный блок:
12–15 — диоды;
16 — конденсатор;
17–20 — транзисторно-диодные модули;
21–24 — входы управления

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.

Рис. 4. Диаграмма линейного напряжения электродвигателя UAB = f(t)ф

Например, в ВЧРП с одиннадцатиуровневым ЯАИН имеем n = 2×5 + 1 = 11, чему соответствует наибольшее значение напряжения, равное:

U_лм = 2U_d = (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 U_лm, выделяемого из ступенчатой кривой напряжения инвертора, при синусоидальной ШИМ в соответствии с [1] имеем:

U_лm = √2U_л = 0,866U_лм,             (2)

где U_л — 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 U_кл = U₀. Значение U_кл следует определять с коэффициентом запаса 1,5.

Таким образом, для ЯАИН с n = 11 и U_л = 6 кВ требуются ключи IGBT с напряжением:

U_кл = 1,5 × 1,63 × 6000/10 = 1467 В.