УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ МАТРИЧНОГО КАСКАДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ Российский патент 2015 года по МПК H02M5/297 H02H7/127 

Описание патента на изобретение RU2537846C2

Область техники

Настоящее изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники, в частности к матричным преобразователям частоты непосредственного типа (НПЧ) для регулирования высоковольтных электродвигателей переменного тока большой мощности.

Уровень техники

Известно устройство управления 3-фазного двухзвенного НПЧ, построенного на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью с использованием программного метода адаптивной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), описанное в [1; 2].

В указанных преобразователях частоты в качестве устройств компенсации реактивных (индуктивных) токов питающей сети при коммутации ключей IGBT-модулей как на частоте сети, так на частоте ШИМ, в т.ч. в аварийных ситуациях при ошибках коммутации, используются батареи конденсаторов, подключенные к входным зажимам НПЧ. Такое решение задачи приводит к дополнительным потерям электроэнергии, т.е. к снижению к.п.д. в нормальных режимах НПЧ.

Более близким по техническому решению к заявляемому устройству является способ и устройство защиты матричного однокаскадного НПЧ на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью и высокочастотной ШИМ, описанное в [3] (аналог). В указанном устройстве используется достаточно сложный программный способ защиты, в алгоритме которого имеются стадии выявления ошибки коммутации, а затем реализации самой защиты, требующие соответствующего программирования. Однако такой способ защиты сам по себе подвержен воздействию ошибок и сбоям программирования.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью и высокочастотной ШИМ, описанное в [4] (прототип).

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображена блок-схема известного матричного каскадного преобразователя частоты (МКПЧ) непосредственного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ [5] и предлагаемого устройства его защиты.

В представленной блок-схеме на фиг.1 используются следующие обозначения: 1 - силовая часть МКПЧ; 2 - микропроцессорная система управления (СУ); 3 - волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС); 4 - каскад (матрица); 5 - контактор; 6 - потенциально изолированные 3-фазные источники питания (вторичные обмотки трансформатора); 7 - блок устройства защиты; 8 - плата преобразователя оптического; 9 - плата преобразователя опто-сигналов; 10 - плата обратного преобразования опто-сигналов; 11 - устройство управления контактором; Usa, Usb, Usc - напряжения питающей сети.

Каждый каскад (матрица) 4 МКПЧ построен по мостовой 3-фазной схеме, в каждом плече которого используются управляемые ключи IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью. На фиг.2 изображена электрическая схема одного каскада (матрицы) 4 и схема одного блока устройства защиты 7.

В представленной схеме (фиг.2) одного каскада 4 МКПЧ, построенного по мостовой 3-фазной схеме, используются следующие обозначения:

4.1 - управляемые ключи IGBT-модулей в каждом плече; 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; Vtm, itm, Ltm, где (m=а, b, с), - напряжения, токи и собственные индуктивности фаз вторичной обмотки трансформатора 6; ΔUta, ΔUtb, ΔUtc - перенапряжения в фазах вторичной обмотки трансформатора 6; ~Ud, id, Rd, Ld - выходные напряжение, ток и параметры эквивалентной нагрузки одного каскада 4.

На фиг.3 изображен общий вид конструкции с двумя блоками устройства защиты 7.

Раскрытие изобретения

Предлагаемое устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты по сравнению с прототипом [4] характеризуется более гибким процессом реализации защиты и обеспечивает существенное повышение работоспособности МКПЧ при возникновении аварийной ситуации.

Указанный технический результат достигается за счет того, что при возникновении аварийной ситуации в каком-либо каскаде происходит отключение только аварийного каскада и его шунтирование. Причем остальные каскады будут продолжать функционировать в прежнем режиме, сохраняя работоспособность МКПЧ в целом.

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 устройства защиты 7, каждый из которых соединен с 3-фазными входными зажимами одного из каскадов 4 МКПЧ.

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 устройства защиты 7 соединены с платой преобразователя оптического 8, которая в свою очередь по каналам ВОЛС 3 подключена к микропроцессорной СУ 2, формирующей опто-сигналы на включение и выключение управляемых ключей IGBT-модулей 4.1. Микропроцессорная СУ 2 по каналам ВОЛС 3 через платы преобразователей опто-сигналов 9 соединена с платами драйверных устройств 4.2, обладающих функцией собственной защиты управляемых ключей IGBT-модулей 4.1 от токов (i2ta; i2tb; i2tc) при перегрузках и коротких замыканиях (к.з.).

Кроме того, микропроцессорная СУ 2 (фиг.1) по каналам ВОЛС 3 соединена с платой обратного преобразования опто-сигналов 10, выход которой подключен к устройству управления контактором 11.

Предлагаемое устройство защиты работает следующим образом.

Если во время нормальной работы в каком-либо каскаде 4 МКПЧ (фиг.2) возникает аварийная ситуация по одной из следующих причин:

- из-за программной ошибки в алгоритме или из-за обрыва в цепях формирования или канализации сигналов управляемых ключей IGBT-модуля 4.1;

- из-за ложного включения управляемых ключей IGBT-модуля 4.1 в результате наведенной электромагнитной помехи;

- из-за возникших токов перегрузки или токов к.з. во входной или выходной цепи,

то происходит срабатывание собственной защиты платы драйверного устройства 4.2, следовательно, управляемые ключи одного из IGBT-модулей 4.1 выключаются и входная цепь этого каскада 4 оказывается разомкнутой.

В результате разрыва цепи входных токов (i2ta; i2tb; i2tc) собственные индуктивности (Lta; Ltb; Ltc) потенциально изолированного 3-фазного источника питания (вторичной обмотки трансформатора) 6 вызывают всплеск перенапряжений (ΔUta; ΔUtb, ΔUtc). При превышении перенапряжений уровня, определяемого пороговым элементом (варистором) 7.3, входные токи (i2ta; i2tb; i2tc) 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 8, которая формирует опто-сигнал и по каналу ВОЛС 3 передает его в микропроцессорную СУ 2. Последняя в соответствии с программой ее работы формирует опто-сигналы на постоянное включение всех плеч на управляемых ключах IGBT-модулей 4.1 аварийного каскада 4, которые по каналам ВОЛС 3 поступают на платы драйверных устройств 4.2, осуществляя шунтирование данного каскада 4 МКПЧ.

Кроме того, микропроцессорная СУ 2 (фиг.1) одновременно формирует опто-сигнал на выключение контактора 5 аварийного каскада 4 МКПЧ. Указанный опто-сигнал по каналам ВОЛС 3 поступает на плату обратного преобразования опто-сигналов 10 в электрический сигнал, воздействующий на устройство управления 11 одного из контакторов 5, отключающего аварийный каскад 4 МКПЧ от потенциально изолированного 3-фазного источника питания 6.

Таким образом, если возникает аварийная ситуация в каком-либо каскаде 4 МКПЧ хотя бы по одной из вышеперечисленных причин, то по сигналу блока устройства защиты 7 произойдет шунтирование аварийного каскада 4 и его отключение от потенциально изолированного 3-фазного источника питания 6. Причем остальные каскады будут продолжать функционировать в прежнем режиме, сохраняя работоспособность МКПЧ в целом.

Осуществление изобретения

Конструктивно предлагаемое устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты изготовлено в виде отдельных плат, на каждой из которых размещены по два блока устройства защиты 7 по схеме фиг.2.

На фиг.3 изображен общий вид конструкции с двумя блоками устройства защиты 7, установленной в шкафу опытного образца матричного каскадного преобразователя частоты по схеме фиг.1, предназначенного для питания гребного электродвигателя переменного тока высокого напряжения мощностью до 1,0 МВт.

Таким образом, устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты, содержит в каждой m-фазе силовой части n-каскадов (матриц) 3-фазных мостовых схем, каждое плечо которого построено на управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью, причем входные зажимы каждого каскада посредством контакторов подключены к (m×n) потенциально изолированным 3-фазным источникам питания (вторичным обмоткам трансформаторов), микропроцессорную систему управления (СУ), формирующую опто-сигналы для драйверных устройств, осуществляющих включение, выключение и токовую защиту управляемых ключей IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью указанных каскадов, состоящее из (m×n) блоков устройства защиты с компенсирующими конденсаторами, каждый из которых посредством 3-фазного выпрямителя подключен к входным зажимам одного из указанных каскадов, причем в составе каждого блока устройства защиты содержатся датчик тока и пороговый элемент (варистор), включенные последовательно с компенсирующим конденсатором, шунтированным балластным резистором.

Выходы датчиков тока через платы преобразователей оптических соединяют с микропроцессорной СУ, которая при возникновении аварийной ситуации в каком-либо каскаде обеспечивает по сигналу от датчика тока постоянное включение всех плеч данного каскада, тем самым шунтируя его, и выключение контактора на его входных зажимах, тем самым отключая потенциально изолированный 3-фазный источник питания данного каскада.

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. Н02М 5/16 от 16.09.2003.

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

4. Устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты. Скворцов Б.А. Патент РФ № 2475930 С1, кл. Н02М 5/27 от 20.06.2011.

5. Устройство формирования и регулирования напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты с высокочастотной синусоидальной ШИМ. Скворцов Б.А., Васин И.М., Махонин С.В., Богатырев Д.Е. Патент РФ № 2422975 С1, кл. Н02М 5/27 от 15.07.2010.

Похожие патенты RU2537846C2

название год авторы номер документа
УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ МАТРИЧНОГО КАСКАДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ 2011
  • Скворцов Борис Алексеевич
RU2475930C1
УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ МАТРИЧНОГО НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ШИМ 2010
  • Скворцов Борис Алексеевич
  • Васин Игорь Михайлович
  • Махонин Сергей Васильевич
  • Богатырев Дмитрий Евгеньевич
RU2422975C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ МАТРИЧНОГО НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ КАСКАДНОГО ТИПА С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ШИМ 2010
  • Богатырев Дмитрий Евгеньевич
  • Васин Игорь Михайлович
  • Махонин Сергей Васильевич
  • Скворцов Борис Алексеевич
RU2428783C1
Источник бесперебойного питания 2023
  • Лавриновский Виктор Сергеевич
  • Бельский Григорий Владимирович
  • Доброскок Никита Александрович
  • Мигранов Руслан Михайлович
  • Скакун Анастасия Дмитриевна
RU2803077C1
Преобразователь частоты 2023
  • Глухов Виталий Иванович
  • Драгунов Андрей Владимирович
  • Ротнов Александр Вячеславович
RU2806284C1
Электрическая передача электровоза 2017
  • Клименко Юрий Иванович
  • Кузнецов Николай Александрович
  • Перфильев Константин Степанович
  • Чупин Яков Владимирович
  • Бенькович Никита Игоревич
RU2674998C1
СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ 2022
  • Глухов Виталий Иванович
  • Ротнов Александр Вячеславович
RU2794276C1
Преобразователь тяговый электровоза 2017
  • Чудиновских Виктор Евгеньевич
  • Мансуров Владимир Александрович
  • Бабкина Тамара Николаевна
  • Ковалев Юрий Николаевич
  • Гуков Даниил Григорьевич
  • Секерин Виталий Геннадьевич
  • Рахимов Дамир Альмирович
  • Тарасов Роман Владиславович
  • Ярушин Дмитрий Михайлович
RU2653923C1
СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 2022
  • Глухов Виталий Иванович
  • Артамонов Алексей Артамонович
  • Коваленко Сергей Юрьевич
  • Бубен Анатолий Владимирович
  • Поваренкин Владимир Иванович
RU2780724C1
СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 2012
  • Яцук Владимир Григорьевич
RU2481691C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 537 846 C2

Реферат патента 2015 года УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ МАТРИЧНОГО КАСКАДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к области электротехники и представляет собой устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты (МКПЧ) непосредственного типа с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), каждый каскад которого построен по мостовой 3-фазной схеме, в каждом плече которого используются полностью управляемые ключи IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью. Предложенное устройство по сравнению с прототипом характеризуется более гибким процессом реализации защиты, обеспечивая при этом технический результат - существенное повышение работоспособности МКПЧ при возникновении аварийной ситуации. Устройство защиты при возникновении аварийной ситуации в одном из каскадов обеспечивает постоянное включение его плеч на управляемых ключах IGBT-модулей, тем самым шунтируя его, а также отключение аварийного каскада от источника питания. Причем остальные каскады продолжают функционировать в прежнем режиме, сохраняя работоспособность МКПЧ в целом. Предложенное устройство защиты разработано и изготовлено в виде отдельной конструкции с двумя блоками защиты для установки в опытном образце матричного каскадного преобразователя частоты, предназначенного для питания гребного электродвигателя переменного тока высокого напряжения. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 537 846 C2

Устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты, содержащего в каждой m-фазе силовой части n-каскадов (матриц) 3-фазных мостовых схем, каждое плечо которого построено на управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью, причем входные зажимы каждого каскада посредством контакторов подключены к (m×n) потенциально изолированным 3-фазным источникам питания (вторичным обмоткам трансформаторов), микропроцессорную систему управления (СУ), формирующую опто-сигналы для драйверных устройств, осуществляющих включение, выключение и токовую защиту управляемых ключей IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью указанных каскадов, состоящее из (m×n) блоков устройства защиты с компенсирующими конденсаторами, каждый из которых посредством 3-фазного выпрямителя подключен к входным зажимам одного из указанных каскадов, причем в составе каждого блока устройства защиты содержатся датчик тока и пороговый элемент (варистор), включенные последовательно с компенсирующим конденсатором, шунтированным балластным резистором, отличающееся тем, что выходы датчиков тока через платы преобразователей оптических соединяют с микропроцессорной СУ, которая при возникновении аварийной ситуации в каком-либо каскаде обеспечивает по сигналу от датчика тока постоянное включение всех плеч данного каскада, тем самым шунтируя его, и выключение контактора на его входных зажимах, тем самым отключая потенциально изолированный 3-фазный источник питания данного каскада.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2537846C2

Устройство для измерения температуры 1984
  • Саченко Анатолий Алексеевич
  • Мильченко Виктор Юрьевич
  • Кочан Владимир Владимирович
  • Маслыяк Богдан Алексеевич
SU1154552A1
СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ 2003
  • Шрейнер Рудольф Теодорович
  • Кривовяз Владимир Константинович
  • Калыгин Андрей Игоревич
RU2269860C2
УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ МАТРИЧНОГО КАСКАДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ 2011
  • Скворцов Борис Алексеевич
RU2475930C1

RU 2 537 846 C2

Авторы

Скворцов Борис Алексеевич

Даты

2015-01-10Публикация

2013-05-22Подача