УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ МАТРИЧНОГО НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ШИМ Российский патент 2011 года по МПК H02M5/27 

1.1. 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.

1.2. 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, т.е. для поддержания непрерывности протекания токов в цепях от источников питания к фазам электродвигателя при коммутации ключей как на частоте сети, так и на высокой частоте ШИМ, используется способ подключения батареи конденсаторов к входным зажимам НПЧ. Такое решение задачи приводит к дополнительным потерям электроэнергии, т.е. к снижению к.п.д., а также к увеличению массогабаритных показателей НПЧ.

Кроме того, двухзвенный НПЧ на IGBT-модулях с высокочастотной ШИМ имеет недостаток, обусловленный наличием двух звеньев в цепи преобразования, что также приводит к дополнительным потерям мощности и к снижению к.п.д.

Более близким по техническому решению к заявляемому устройству является устройство формирования и регулирования выходного напряжения по схеме однозвенного однокаскадного НПЧ на IGBT-модулях с двухсторонней проводимостью и с высокочастотной ШИМ, описанное в [3], в котором также присутствует блок с компенсирующими конденсаторами (сетевой фильтр), подключенный к входным зажимам.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является преобразователь частоты по схеме однозвенного матричного НПЧ каскадного типа, описанный в [4] (прототип).

В указанном преобразователе, построенном на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью, реализуется каскадный принцип формирования высокого напряжения при питании от потенциально изолированных источников напряжения (вторичных обмоток трансформатора). В каждом каскаде ключи IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью соединены в виде матрицы по мостовой 3-фазной схеме. Формирование и регулирование напряжения на выходе каждого каскада производится программным методом высокочастотной синусоидальной ШИМ.

Однако ключи мостовых схем в указанном преобразователе работают с длительностью включенного состояния 120° эл., и для поддержания непрерывности протекания токов в цепях от источников напряжения к фазам электродвигателя также используются необходимые в этом случае блоки с компенсирующими конденсаторами.

1.3. Краткое описание чертежей.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого устройства формирования и регулирования напряжения в виде матричного 4-каскадного НПЧ, каждый каскад которого построен на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью по мостовой схеме, с подключенной к нему 3-фазной обмоткой электродвигателя.

На фиг.2 изображена электрическая схема одного каскада (матрицы) упомянутого НПЧ, построенного на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью по трехфазной мостовой схеме с использованием высокочастотной синусоидальной ШИМ.

В представленной схеме (фиг.2) одного каскада трехфазного моста используются следующие обозначения: 1…6 - управляемые ключи IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью; 7…12 - снабберные конденсаторы; 13 - драйверные устройства; U_tm, i_2tm, R_tm, L_tm, где (m=a, b, c), - напряжение, токи и параметры фаз вторичной обмотки трансформатора (источника питания); i_i (i=1…6) - токи в плечах моста; ~U_d, i_d, e_d, R_d, L_d - выходные напряжение и ток, э.д.с. и параметры фазы двигательной нагрузки.

На фиг.3 представлены временные диаграммы управляющих сигналов при формировании высокочастотной синусоидальной ШИМ для ключей одного каскада мостовой схемы и расчетные кривые токов и напряжений на входных и выходных зажимах устройства. В представленных диаграммах и кривых используются следующие обозначения: U_ta, U_tb, U_tc - напряжения фаз вторичной обмотки трансформатора; U_оп - опорное высокочастотное пилообразное напряжение; U_у - напряжение управления скважностью синусоидальной ШИМ; J₁, J₂, J₃ - функции разрешения ШИМ плеч моста; K₁, K₂…K₆ - функции состояния плеч моста; i_dA, i_dB, i_dC, U_dA, U_dB, U_dC - расчетные фазные токи и напряжения на выходе НПЧ по схеме фиг.1 (на зажимах электродвигателя).

На фиг.4 изображен внешний вид опытного образца предлагаемого устройства.

1.4. Раскрытие изобретения.

Предлагаемое устройство формирования и регулирования напряжения матричного НПЧ с высокочастотной синусоидальной ШИМ обеспечивает по сравнению с прототипом [4] повышение к.п.д. и уменьшение его массогабаритных показателей за счет исключения блоков с компенсирующими конденсаторами при сохранении высоких параметров качества электроэнергии как со стороны питающей сети, так и на стороне электродвигателя.

Указанный технический результат достигается путем реализации в мостовых схемах каждого каскада режима выпрямления с углом управления α=0 и с длительностью включенного состояния ключей на частоте питания, равной (120°+γ) эл., при одновременном формировании выходного напряжения, т.е. тока в фазах электродвигателя, методом высокочастотной синусоидальной двуполярной ШИМ.

Кроме того, введение в схему силовой части предлагаемого устройства блоков оптических преобразователей, работающих в режиме удвоения количества управляющих оптосигналов на выходе для ключей IGBT-модулей, и их временное смещение для каждого каскада по отношению к входным оптосигналам обеспечивает уменьшение количества каналов волоконно-оптической линии связи и улучшение параметров качества электроэнергии на стороне электродвигателя.

Предлагаемое устройство формирования и регулирования напряжения матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ состоит из m-фазной силовой части 1 и микропроцессорной системы управления (СУ) 2 с пультом управления 3 (фиг.1). В каждой m-фазе (А; В; С) силовой части 1 содержится n-каскадов мостовых схем (матриц) 4 и n-блоков 5 оптических преобразователей. Входы мостовых схем 4 посредством контакторов 6 подключены к (m×n) потенциально развязанным трехфазным источникам питания (вторичным обмоткам трансформаторов) 7 с низким уровнем напряжения, половина из которых соединена "звездой", а другая половина - "треугольником", что способствует улучшению параметров качества электроэнергии со стороны питающей сети. Кроме того, входы мостовых схем 4 подключены к датчикам напряжения 8, выходы которых в свою очередь соединены с СУ 2.

Выходы n-каскадов мостовых схем 4 каждой фазы соединены между собой последовательно-согласно и подключены с одной стороны через датчики фазных токов 9 к фазам электродвигателя 10, а с другой стороны соединены в общую точку. Каждый каскад силовой части 1 построен на IGBT-модулях 1…6 (фиг.2) с ключами двухсторонней проводимости, шунтированными снабберными конденсаторами 7…12 и соединенными по трехфазной мостовой схеме.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

По сигналу от пульта управления 3 СУ 2 (фиг.1) осуществляет включение контакторов 6 и тем самым подачу питания от (m×n) вторичных обмоток трансформаторов 7 на входы мостовых схем 4 каждого n-го каскада.

Управляющие оптосигналы по [6·(m×n)] каналам волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) поступают от микропроцессорной СУ 2 на блоки оптических преобразователей 5 для их тиражирования. Затем они по [12·(m×n)] каналам распределяются на драйверные устройства 13 IGBT-модулей 1…6 (фиг.2), тем самым обеспечивая уменьшение общего количества каналов ВОЛС.

Управляющие оптосигналы осуществляют включение и выключение ключей в плечах мостовых схем (фиг.2) в режиме выпрямления с углом управления α=0 с длительностью разрешенного открытия ключей (120°+γ) эл. для обеих полуволн выходного напряжения ~U_d. Сигналы от датчиков напряжения 8 (фиг.1), поступая в СУ 2, обеспечивают синхронизацию управляющих оптосигналов по частоте и фазе с э.д.с. (e_2tm) вторичных обмоток трансформаторов 7.

Выходные напряжения мостовых схем 3 каждого n-го каскада при одновременном или смещенном по времени включении и выключении их соответствующих плеч суммируются, обеспечивая в режиме синусоидальной ШИМ необходимые уровень и параметры качества электроэнергии на выходных зажимах матричного НПЧ. Далее суммарное напряжение n-каскадов мостовых схем 3 каждой m-фазы поступает через датчики фазных токов 9 на фазы электродвигателя 10.

С целью программной реализации режима выпрямления каждой мостовой схемы (фиг.2) вводятся функции разрешения ШИМ ключей, которые синхронизируются по фазе τ с э.д.с. e_2tm (m=a, b, c) вторичной обмотки трансформатора. При этом мгновенные значения функций разрешения ШИМ J_i (i=1, 2, …6) определяются следующими условиями (для катодной группы) (фиг.3):

Начальные условия J₁=J₂=J₃=0

Увеличение длительности включенного состояния ключей относительно общепринятой в [3; 4] длительности 120° эл. на угол коммутации (перекрытия) γ приводит к созданию режима естественного спада реактивных (индуктивных) токов i_2tm, где m=а, b, c (фиг.2), при их коммутации в мостовой схеме. При этом длительность угла коммутации у на момент начала каждой коммутации вычисляется по функциональной зависимости:

где: Х_γ = индуктивное сопротивление (приведенное) фазы источника питания (вторичной обмотки трансформатора);

i_d - текущее мгновенное значение выходного тока (фазного тока электродвигателя) на момент начала коммутации;

E_2t - фазная э.д.с. (действующее значение) источника питания (вторичной обмотки трансформатора).

Указанную зависимость угла коммутации γ в функции текущего значения тока i_d (фазного тока электродвигателя 10) обеспечивает программа работы СУ 2 на основе информации, получаемой от датчиков фазных токов 9 (фиг.1).

Кроме того, СУ 2 непрерывно формирует известным [1; 2] программным способом сигналы (прямые и инверсные) высокочастотной синусоидальной ШИМ с регулируемой скважностью (фиг.3).

При совпадении (логическом умножении) сигналов синусоидальной ШИМ с функциями разрешения ШИМ J_i предыдущего режима выпрямления формируются управляющие оптосигналы на включение и выключение ключей в плечах мостовых схем, осуществляя двуполярное (положительное или отрицательное) подключение «выпрямленных» напряжений ~U_d (фиг.2) n-каскадов источников питания 7 одновременно либо в режиме смещения по времени на промежуток Т_ШИМ/n к соответствующим фазам электродвигателя 10 (фиг.1). Режим смещения осуществляется подачей управляющих оптосигналов с выходов блоков оптических преобразователей на соответствующие входы драйверных устройств IGBT-модулей каждого n-го каскада со смещением на тот же промежуток времени Т_ШИМ/n.

Для программной реализации состояния ключей в плечах мостовой схемы (фиг.2) используются функции состояния плеч K_i, где: i=1, 2, … 6. Если плечо моста открыто, то K_i=1. Если плечо моста закрыто, то K_i=0 (фиг.3).

При двуполярной ШИМ для плеч противоположной группы моста справедливо их инверсное состояние:

При работе мостовой схемы в режиме синусоидальной двуполярной ШИМ значения функций K_i определяются следующими условиями:

K₁=K₂=K₃=K₄=K₅=K₆=0,

Для предотвращения возможности короткого замыкания напряжений фаз U_ta, U_tb, U_tc (фиг.2) вторичной обмотки трансформатора 7 между положительной и отрицательной длительностью подключения создается промежуток бестоковой паузы δ длительностью не более ~Т_ШИМ/(180-200), где Т_ШИМ - длительность периода ШИМ, в течение которой ток i_d электродвигателя протекает через снабберные конденсаторы 7…12 IGBT-модулей 1…6.

Таким образом, обеспечивается непрерывность протекания токов от (m×n) источников питания 7 к m-фазам электродвигателя 10.

1.5. Осуществление изобретения.

Предлагаемое устройство формирования и регулирования напряжения по схеме фиг.1 разработано и изготовлено в виде опытного образца матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ для регулирования гребного электродвигателя переменного тока высокого напряжения в системе электродвижения перспективных крупнотоннажных судов, например судов ледового плавания и нового поколения ледоколов.

На фиг.4 изображены внешний вид шкафов опытного образца матричного 4-каскадного НПЧ-4,5-100УХЛ4 по схеме фиг.1 мощностью 1,0 МВт с высокочастотной синусоидальной ШИМ.

На фиг.3 изображены кривые фазных токов и напряжений на его входных и выходных зажимах, рассчитанные на основе математической модели системы в составе синхронный генератор мощностью 1000 кВт - матричный НПЧ - асинхронный электродвигатель мощностью 800 кВт при частоте питания 50 Гц, выходной частоте 17 Гц и частоте ШИМ 1200 Гц.

Литература

1. Устройство и способ управления обратимым преобразователем энергии переменного тока в энергию переменного тока. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А. и др. Патент РФ № 2265947 С2, кл. H02M 5/27 от 09.07.2002.

2. Способ преобразования частоты. Шрейнер Р.Т., Кривовяз В.К. и др. Патент РФ № 2269860 С2, кл. H02M 5/16 от 16.09.2003.

3. Method and apparatus for protecting PWM cycloconverter. Sawa Toshihiro, … Патент Яп. №EP 1154552, кл. H02M 5/27 от 14.11.2001.

4. Матричный непосредственный преобразователь частоты серии CIMR-MX1S компании «Yaskawa Electric Corporation» (Япония) каскадного типа на IGBT-модулях с высокочастотной ШИМ и с рекуперацией энергии. Проспект фирмы, 2007 г.

Предложено устройство формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты (НПЧ) каскадного типа с высокочастотной синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), построенного на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью по мостовой схеме. Предложенное устройство по сравнению с прототипом обеспечивает технический результат - повышение к.п.д. и уменьшение массогабаритных показателей за счет исключения блоков с компенсирующими конденсаторами на входных зажимах НПЧ при сохранении высоких параметров качества электроэнергии как со стороны питающей сети, так и на стороне двигательной нагрузки. Указанный технический результат достигается путем реализации в мостовых схемах каждого каскада режима выпрямления с углом управления α=0 и с длительностью включенного состояния ключей на частоте питания, равной (120°+γ) эл., при одновременном формировании и регулировании выходного напряжения методом высокочастотной синусоидальной ШИМ. Введение в схему высоковольтной силовой части НПЧ блоков оптических преобразователей, работающих в режиме удвоения количества управляющих оптосигналов на выходе по отношению к входным оптосигналам, обеспечивает уменьшение количества каналов волоконно-оптической линии связи с микропроцессорной системой управления и повышение их помехозащищенности. Предложенное устройство реализовано в виде опытного образца матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ, предназначенного для регулирования высоковольтного гребного электродвигателя большой мощности в системах электродвижения перспективных крупнотоннажных судов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство формирования и регулирования напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты с высокочастотной синусоидальной ШИМ, содержащее в каждой m-фазе силовой части n-каскадов мостовых схем на IGBT-модулях с ключами двухсторонней проводимости, шунтированных снабберными конденсаторами, причем выходы мостовых схем соединены последовательно-согласно, а входы подключены к (m×n) потенциально развязанным 3-фазным источникам питания (вторичным обмоткам трансформаторов), микропроцессорную систему управления, формирующую управляющие оптосигналы с высокочастотной синусоидальной ШИМ с регулируемой скважностью для управления работой [12·(m×n)] ключами указанных мостовых схем, отличающееся тем, что, с целью уменьшения количества каналов волоконно-оптической линии связи, в схему силовой части каждой m-фазы введены n-блоков оптических преобразователей, на входы которых поступают от микропроцессорной системы управления управляющие оптосигналы по [6·(m×n)] каналам для их тиражирования по [12·(m×n)] каналам и последующей передачи на соответствующие входы драйверных устройств IGBT-модулей.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляющие оптосигналы на частоте питания реализуют режим выпрямления с углом управления α=0 и с длительностью разрешения на включенное состояние ключей, равной (120°+γ) эл., как для положительной, так и для отрицательной полуволны выходного напряжения, а на высокой частоте синусоидальной ШИМ при совпадении (логическом умножении) с предыдущим режимом осуществляют двуполярное (положительное или отрицательное) подключение фаз 3-фазных источников питания каждого n-го каскада одновременно к соответствующим фазам электродвигателя, при этом между положительной и отрицательной длительностью подключения создают промежуток бестоковой паузы δ длительностью не более ~Т_ШИМ/(180-200), в течение которой ток электродвигателя протекает через снабберные конденсаторы IGBT-модулей,
где γ - угол естественного спада токов в фазах источников питания на момент начала каждой коммутации вычисляется по формуле

Х_γ - индуктивное сопротивление (приведенное) фазы источника питания (вторичной обмотки трансформатора);
i_d - текущее мгновенное значение тока электродвигателя;
E_2t - фазная э.д.с.(действующее значение) источника питания (вторичной обмотки трансформатора);
Т_ШИМ - длительность периода ШИМ.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что управляющие оптосигналы поступают с выходов блоков оптических преобразователей на соответствующие входы драйверных устройств IGBT-модулей каждого n-го каскада со смещением по времени на промежуток Т_ШИМ/n.