СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ МАТРИЧНОГО НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ КАСКАДНОГО ТИПА С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ШИМ Российский патент 2011 года по МПК H02M5/297 

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. Известен способ и устройство управления преобразователем частоты, построенным по схеме 3-фазного двухзвенного НПЧ на IGВТ-модулях, как на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью с использованием программного метода высокочастотной адаптивной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для формирования входных и выходных токов и регулирования выходного напряжения, описанные, например, в [1; 2].

В указанных источниках информации в качестве способа и 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 IGВТ-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 способу формирования и регулирования выходного напряжения к заявляемому способу является схема однозвенного однокаскадного матричного НПЧ на IGВТ-модулях с двухсторонней -проводимостью, и с высокочастотной, ШИМ, описанная в [3]. Однако в [3] патентуется способ и устройство защиты указанной схемы от аварийных ситуаций, в которой также присутствует блок с компенсирующими конденсаторами, подключенный к входным зажимам.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ формирования высокого напряжения в преобразователе по схеме однозвенного матричного НПЧ каскадного типа, описанной в [4] (прототип).

В указанном преобразователе, построенном на полностью управляемых ключах IGВТ-модулей с двухсторонней проводимостью, соединенных в каждом каскаде по мостовой 3-фазной схеме, реализуется каскадный принцип формирования высокого напряжения на выходе при питании от потенциально изолированных источников питания с использованием программного метода высокочастотной синусоидальной ШИМ для его регулирования. Однако ключи мостовых схем в указанном преобразователе работают в режиме инвертирования с длительностью включенного состояния 120° эл., и для поддержания непрерывности протекания токов в цепях от источников напряжения к фазам электродвигателя используются необходимые в этом случае блоки с компенсирующими конденсаторами.

1.3. Краткое описание чертежей.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображена блок-схема трехфазного матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ с подключенной к нему обмоткой асинхронного 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. В изображенной схеме одного каскада трехфазного моста используются следующие обозначения: 1…6 - управляемые ключи IGВТ-модулей; 7…12 - снабберные конденсаторы; 13 - драйверные устройства; U_tm, i_2tm, R_tm, L_tm, где (m=а, b, с), - напряжение, токи и параметры фаз вторичной обмотки трансформатора (источника питания); i_i (i=1…6) - токи в ключах моста; ~U_d, i_d, е_d, R_d, L_d - выходные напряжение и ток, а также 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 фазного тока и напряжения на входных и выходных зажимах устройства по заявляемому способу.

В представленных диаграммах и кривых используются следующие обозначения: U_ta, U_tb, U_tc - напряжения фаз вторичной обмотки трансформатора; U_on - опорное высокочастотное пилообразное напряжение; U_y - напряжение управления скважностью синусоидальной ШИМ; J₁, J₂, J₃ - функции разрешения ШИМ плечей моста; K₁, К₂…К₆ - функции состояния плечей 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).

1.4. Раскрытие изобретения

Заявленный способ реализуется в устройстве матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ, в котором обеспечивается 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 введением естественного спада реактивных (индуктивных) токов в фазах источников питания при их коммутации в мостовых схемах (матрицах) каждого каскада в режиме выпрямления и в фазах электродвигателя при коммутации ключей в режиме формирования и регулирования выходного напряжения методом высокочастотной синусоидальной двуполярной ШИМ.

Устройство матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной. синусоидальной ШИМ, реализующее заявленный способ, состоит из т-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 4 (матриц). Входы мостовых схем 4 посредством контакторов 5 подключены к (m×n) потенциально развязанным трехфазным источникам питания (вторичным обмоткам трансформаторов) 6 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 7, выходы которых в свою очередь соединены с CУ 2.

Выходы n-каскадов мостовых схем 4 каждой фазы соединены между собой последовательно-согласно и подключены с одной стороны через датчики фазных токов 8 к фазам электродвигателя 9, а с другой стороны соединены в общую точку. Каждый каскад силовой части 1 построен на IGВТ-модулях 1…6 (фйг.2) с ключами, двухсторонней проводимости, шунтированными снабберными конденсаторами 7…12 и соединенными по трехфазной мостовой схеме.

Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ реализуется следующим образом.

По сигналу от пульта управления 3 СУ 2 (фиг.1) осуществляет включение контакторов 5 и тем самым подачу питания от (m×n) вторичных обмоток трансформаторов 6 на входы мостовых схем 4 каждого n-го каскада.

Управляющие сигналы, поступающие от СУ 2 на драйверные устройства 13 IGВТ-модулей 1…6 (фиг.2), осуществляют включение и выключение ключей в плечах мостовых схем 4 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 7, поступая в СУ 2, обеспечивают синхронизацию управляющих сигналов ключей мостовых схем 4 по частоте и фазе с э.д.с. (е_2tm) вторичных обмоток трансформаторов 6.

Выходные напряжения ~U_d n-каскадов мостовых схем 4 в каждой m-фазе (А; В; С) при их одновременном включении суммируются, что обеспечивает в режиме синусоидальной ШИМ необходимый уровень высокого напряжения. Далее сумма напряжений ~U_d от n-каскадов мостовых схем 4 каждой m-фазы поступает через датчики фазных токов 8 на фазы электродвигателя 9 (фиг.1).

С целью программной реализации режима выпрямления каждой мостовой схемы (фиг.2) вводятся функции разрешения ШИМ ключей, которые синхронизируются по частоте и фазе τ с э.д.с. е_2tm (m=а,b,с) источника питания. При этом мгновенные значения функций разрешения ШИМ J_i (i=1, 2, … 6) определяются следующими условиями (для одной из групп моста) (фиг.3):

Начальные условия J₁=J₂=J₃=0

Увеличение длительности разрешения 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, с (фиг.2), при их коммутации в мостовой схеме. При этом длительность угла коммутации γ на момент начала каждой коммутаций 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 9) обеспечивает программа работы СУ 2 на основе информации, получаемой, от датчиков фазных токов 8 (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) на основе сравнения опорного напряжения U_оп пилообразной формы и напряжения управления U_y синусоидальной формы.

При совпадении сигналов синусоидальной ШИМ с функциями разрешения, ШИМ J_i предыдущего режима выпрямления формируются управляющие сигналы на включение и выключение ключей в плечах мостовых схем, осуществляя двуполярное (положительное, или отрицательное) подключение «выпрямленных» напряжений ~U_d (фиг.2) одновременно от каждого каскада 3-фазных источников питания 6 к соответствующим фазам электродвигателя 9 (фиг.1).

Для программной реализации состояния ключей в плечах мостовой схемы (фиг.2) используются функции состояния плеч К_i, где: i=1, 2, 3, 4, 5, 6. Если плечо моста открыто, то K_i=7. Если плечо моста закрыто, то К_i=0 (фиг.3). При двуполярной ШИМ для плечей противоположной группы моста справедливо их инверсное состояние:

где

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

К₁=К₂=К₃=К₄=К₅=К₆=0,

Таким образом, за счет введения естественного спада реактивных (индуктивных) токов в фазах вторичных обмоток трансформаторов при их коммутации в n-каскадах мостовых схемах каждой m-фазы НПЧ и в фазах электродвигателя при коммутации ключей на частоте двуполярной ШИМ обеспечивается непрерывность протекания токов от источников питания к фазам электродвигателя. Тем самым исключается необходимость в блоках с компенсирующими конденсаторами на входных зажимах каждого каскада матричного НПЧ.

1.5. Осуществление изобретения.

Заявленный способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ и программное обеспечение к нему реализованы в опытном образце устройства по схеме фиг.1 без блоков с компенсирующими конденсаторами. Упомянутый опытный образец предназначен для регулирования высоковольтного гребного электродвигателя в системе электродвижения перспективных крупнотоннажных судов, например судов ледового плавания и нового поколения ледоколов.

На фиг.3 изображены временные диаграммы управляющих сигналов при формировании высокочастотной синусоидальной двуполярной ШИМ для одного каскада мостовой схемы НПЧ и 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 №RU 2265947 С2, кл. Н02М 5/27 от 09.07.2002.

2. Способ преобразования частоты. Шрейнер Р.Т., Кривовяз В.К. и др. Патент РФ № RU 2269860 С2, кл. Н02М 5/16 от 16.09.2003.

3. Method and apparatus for protecting PWM cycloconverter. Sawa Toshihiro, … Патент Яп. № ЕР 1154552, кл. Н02М 5/27 от 14.11.2001.

4. Матричный каскадный преобразователь частоты типа СIМR-МХ1S на IGВТ-модулях с высокочастотной ШИМ и с рекуперацией энергии для высоковольтного электропривода переменного тока мощностью до 6,0 МВА. - Проспект фирмы «Yaskawa Electric Corporation» (Япония), 2007 г.

Предложен способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты (НПЧ) каскадного типа с высокочастотной синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), каждый каскад (матрица) которого построен на полностью управляемых ключах IGВТ-модулей с двухсторонней проводимостью по мостовой схеме. Предложенный способ по сравнению со способом, используемом в прототипе, 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 введением естественного спада реактивных (индуктивных) токов в фазах источников питания при их выпрямлении и в фазах электродвигателя при коммутации ключей в режиме формирования и регулирования выходного напряжения методом высокочастотной двуполярной ШИМ. Предложенный способ реализован в программном обеспечении опытного образца матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ, предназначенного для регулирования высоковольтного гребного электродвигателя большой мощности в системах электродвижения перспективных крупнотоннажных судов, например, судов ледового плавания и нового поколения ледоколов. 3 ил.

1. Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ, содержащего в m-фазной силовой части n каскадов 3-фазных мостовых схем на IGВТ-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), использующий в микропроцессорной системе управления известный программный способ формирования управляющих сигналов методом высокочастотной синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с регулируемой скважностью для управления моментом включения и выключения ключей указанных n каскадов мостовых схем, отличающийся тем, что управляющие сигналы на частоте питания обеспечивают режим выпрямления с углом управления α=0 и с длительностью разрешения на включенное состояние ключей (120°+γ) эл. как для положительной, так и для отрицательной полуволн выходного напряжения, а на высокой частоте синусоидальной ШИМ при совпадении с предыдущим режимом осуществляют двуполярное (положительное или отрицательное) подключение фаз 3-фазных источников питания каждого n-го каскада одновременно к соответствующим фазам электродвигателя, где γ - угол естественного спада тока 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 эдс (действующее значение) источника питания (вторичной обмотки трансформатора).