УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ МАТРИЧНОГО КАСКАДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ Российский патент 2013 года по МПК H02M5/27 

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.

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 при коммутации ключей на частоте ШИМ, в т.ч. в аварийных ситуациях при ошибках коммутации, используется способ подключения батареи конденсаторов к входным зажимам НПЧ. Такое решение задачи приводит к дополнительным потерям электроэнергии, т.е. к снижению кпд в нормальных режимах НПЧ, а также к увеличению массогабаритных показателей.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству является способ и устройство защиты матричного однокаскадного НПЧ на управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью и высокочастотной ШИМ, описанное в [3] (прототип). В указанном НПЧ используется достаточно сложный алгоритмический способ защиты, который включает в себя стадию выявления ошибки коммутации, а затем реализацию самой защиты, требующей соответствующего программирования.

Однако такой способ защиты сам по себе подвержен воздействию ошибок и сбоям программирования. Кроме того, в устройстве защиты присутствует блок с компенсирующим конденсатором, который посредством 3-фазного выпрямителя подключен к входным зажимам и, следовательно, длительно находится под выпрямленным напряжением питающей сети, что приводит к снижению кпд в нормальных режимах работы НПЧ.

3. Краткое описание чертежей.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображена блок-схема известного матричного 4-каскадного преобразователя частоты (МКПЧ) с высокочастотной синусоидальной ШИМ [4] и предлагаемого устройства его защиты.

В представленной блок-схеме фиг.1 используются следующие обозначения:

1 - силовая часть МКПЧ; 2 - микропроцессорная система управления (СУ); 3 - волоконно-оптическая линия связи; 4 - каскад (матрица) МКПЧ; 5 - вакуумный контактор; 6 - потенциально развязанные источники питания (вторичные обмотки трансформатора); 7 - блок устройства защиты; 8 - сумматор; 9 - плата преобразователя оптического; 10 - плата преобразователя опто-сигналов; 11 - плата обратного преобразования оптосигналов; 12 - устройство управления контакторов; U_sa, U_sb, U_sc - напряжения питающей сети.

Каждый каскад (матрица) рассматриваемого МКПЧ построен на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью по мостовой схеме. На фиг.2 изображены электрическая схема одного каскада (матрицы) упомянутого МКПЧ и схема одного блока устройства защиты.

В представленной схеме (фиг.2) одного каскада используются следующие обозначения:

4.1 - ключи IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью; 4.2 - платы драйверных устройств; 7.1 - 3-фазный выпрямитель; 7.2 - датчик тока; 7.3 - пороговый элемент (варистор); 7.4 - компенсирующий конденсатор; 7.5 - балластный резистор; U_tm, i_2tm, L_tm, где (m=а, b, с) - напряжения, токи и собственные индуктивности фаз вторичной обмотки трансформатора (источника питания); ΔU_ta, ΔU_tb, ΔU_tc - перенапряжения в фазах источника питания; ~U_d, i_d, R_d, L_d - выходные напряжения, ток и параметры эквивалентной нагрузки одного каскада.

На фиг.3 изображен внешний вид устройства защиты с двумя блоками, расположенными на общей плате, установленной в опытном образце МКПЧ.

4. Раскрытие изобретения.

Предлагаемое устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты по сравнению с прототипом [3] характеризуется более простым процессом реализации защиты, в частности в нём отсутствует стадия выявления ошибки коммутации, и тем самым обеспечивается увеличение надёжности срабатывания защиты.

Указанный технический результат достигается за счет отказа от алгоритмического способа защиты при одновременном введении в каждый блок с компенсирующим конденсатором, присутствующий в прототипе [3], датчика тока и порогового элемента (варистора) с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Предлагаемое устройство защиты m-фазного (А;В;С) матричного n-каскадного преобразователя частоты (фиг.1), состоящего из силовой части 1, микропроцессорной системы управления (СУ) 2 и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) 3, включает в себя n×m блоков 7, входные зажимы каждого из которых соединены с входными зажимами питания одного из n×m каскадов 4.

В состав каждого блока устройства защиты 7 входит (фиг.2) 3-фазный выпрямитель 7.1, выход которого через датчик тока 7.2 и пороговый элемент (варистор) 7.3 соединен с компенсирующим конденсатором 7.4, шунтированным балластным резистором 7.5.

Выходы датчиков тока 7.2 каждого блока 7 попарно посредством сумматора 8 объединены в один общий канал, соединенный с платой преобразователя оптического 9, который в свою очередь по каналам ВОЛС 3 подключен к микропроцессорной СУ 2. Последняя по каналам ВОЛС 3 через платы преобразователей оптосигналов 10 соединена с платами драйверных устройств 4.2, обладающих функцией собственной защиты ключей IGBT-модулей 4.1 от токов (i_2ta; i_2tb; i_2tc при перегрузках и коротких замыканиях (к.з.).

Кроме того, СУ 2 (фиг.1) по каналам ВОЛС 3 соединена с платой обратного преобразования оптосигналов 11, выход которой подключен к устройству управления 12 контакторами 5.

Предлагаемое устройство защиты работает следующим образом: Если во время нормальной работы в одном из каскадов 4 (фиг.2) какой-либо фазы МКПЧ возникает аварийная ситуация по одной из следующих причин:

- из-за срабатывания собственной защиты какого-либо драйверного устройства 4.2 на отключение ключей IGBT-модуля 4.1 от токов перегрузки или к.з. во входной или выходной цепи;

- из-за обрыва в цепях формирования или канализации управляющих электро- или оптосигналов на включение ключей IGBT-модулей 4.1;

- из-за программной ошибки в алгоритме коммутации ключей IGBT-модулей 4.1,

то цепь питания этого каскада 4 хотя бы по одной фазе оказывается разомкнутой.

В результате из-за разрыва цепи входных токов (i_2ta; i_2tb; i_2tc) собственные индуктивности (L_ta; L_tb; L_tc) источника питания (вторичной обмотки трансформатора) 6 вызывают всплеск перенапряжений (ΔU_ta; ΔU_tb; ΔU_tc). При превышении перенапряжений уровня, определяемого пороговым элементом (варистором) 7.3, входные токи (i_2ta; i_2tb; i_2tc) замыкаются по цепи: 3-фазный выпрямитель 7.1 - датчик тока 7.2 - пороговый элемент 7.3 - компенсирущий конденсатор 7.4 - балластный резистор 7.5.

Возникший электрический сигнал на выходе датчика тока 7.2 поступает на плату преобразователя оптического 9, который формирует оптосигнал и по каналу ВОЛС 3 передает его в микропроцессорную СУ 2. Последняя в соответствии с программой ее работы прерывает поступление управляющих оптосигналов на платы драйверных устройств 4.2 остальных каскадов в этой и в двух других фазах, осуществляя выключение ключей всех IGBT-модулей 4.1 МКПЧ. Кроме того, СУ 2 (фиг.1) формирует оптосигналы на отключение контакторов 5, которые по каналам ВОЛС 3 поступают на платы обратного преобразования оптосигналов 11 в электрические сигналы, воздействующие на устройства управления 12 контакторов 5 каждого каскада 4 в каждой фазе (А;В;С).

Таким образом, после возникновения аварийной ситуации в одном из каскадов 4 какой-либо фазы хотя бы по одной из вышеперечисленных причин входная цепь 3-фазного питания оказывается разомкнутой и реактивная энергия источника питания 6 автоматически компенсируется предлагаемым устройством защиты 7, вызывая лавинообразные процессы выключения ключей IGBT-модулей 4.1 остальных каскадов в этой и в других фазах и отключения контакторов 5 на входах мостовых схем каждого каскада 4 во всех фазах (А;В;С) МКПЧ. Причем на компенсирующем конденсаторе 7.4 в исходном состоянии благодаря наличию порогового элемента 7.3 отсутствует напряжение, что способствует повышению кпд в нормальных режимах работы МКПЧ по сравнению с НПЧ прототипа [3].

5. Осуществление изобретения.

Предлагаемое устройство защиты разработано и изготовлено в виде отдельной платы с двумя блоками по схеме фиг.2 для установки в опытном образце матричного каскадного преобразователя частоты, предназначенного для питания гребного электродвигателя переменного тока высокого напряжения.

На фиг.3 изображен внешний вид устройства защиты с двумя блоками, расположенными на общей плате, установленной в шкафу опытного образца матричного 4-каскадного преобразователя частоты типа НПЧ-4,5-100УХЛ4 по схеме фиг.1 мощностью 1,0 МВт.

Литература

1. Устройство и способ управления обратимым преобразователем энергии переменного тока в энергию переменного тока. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А. и др. Патент RU №2265947 С2, кл. Н02М 5/27 от 09.07.2002.

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

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

4. Устройство формирования и регулирования напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты с высокочастотной синусоидальной ШИМ. Скворцов Б.А., Васин И.М. и др. Заявка №2010129681/07 от 15.07.2010. (Решение Федеральной службы РОСПАТЕНТ о выдаче патента на изобретение №2010129681/07 (042187) от 02.02.2011).

Использование: в области электротехники. Технический результат - увеличение надежности срабатывания при упрощении процесса реализации. Устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты, содержащего в каждой m-фазе силовой части n-каскадов (матриц) мостовых схем на IGBT-модулях, причем входы мостовых схем каждого каскада посредством контакторов подключены к (m×n) потенциально развязанным 3-фазным источникам питания, микропроцессорную систему управления (СУ), формирующую управляющие оптосигналы для драйверных устройств, осуществляющих включение, выключение и токовую защиту ключей каскадов мостовых схем, состоящее из (m×n) блоков с компенсирующим конденсатором, каждый из которых посредством 3-фазного выпрямителя подключен ко входам указанных мостовых схем, при этом в схему каждого блока введены датчик тока и пороговый элемент (варистор), включенные последовательно с компенсирующим конденсатором, шунтированным балластным резистором, выходы датчиков тока попарно суммируют и через платы преобразователей сигналов соединяют с СУ, которая обеспечивает по сигналу от датчика тока лавинообразные процессы выключения ключей IGBT-модулей остальных каскадов в этой и в других фазах и отключения контакторов на входах мостовых схем каждого каскада. 3 ил.

Устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты, содержащего в каждой m-фазе силовой части n-каскадов (матриц) мостовых схем на IGBT-модулях с ключами двухсторонней проводимости, причем входы мостовых схем каждого каскада посредством контакторов подключены к (m×n) потенциально развязанным 3-х фазным источникам питания (вторичным обмоткам трансформаторов), микропроцессорную систему управления (СУ), формирующую управляющие оптосигналы для драйверных устройств, осуществляющих включение, выключение и токовую защиту ключей указанных каскадов мостовых схем, состоящее из (m×n) блоков с компенсирующим конденсатором, каждый из которых посредством 3-х фазного выпрямителя подключен ко входам указанных мостовых схем, отличающееся тем, что в схему каждого блока введены датчик тока и пороговый элемент (варистор), включенные последовательно с компенсирующим конденсатором, шунтированным балластным резистором, причем выходы датчиков тока попарно суммируют и через платы преобразователей сигналов соединяют с микропроцессорной СУ, которая при возникновении аварийной ситуации в одном из каскадов обеспечивает по сигналу от датчика тока лавинообразные процессы выключения ключей IGBT-модулей остальных каскадов в этой и в других фазах и отключения контакторов на входах мостовых схем каждого каскада.