СИСТЕМА ЗВЕЗДООБРАЗНОГО МНОГОФАЗНОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ПРИВОДА С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ В НИЗКОЕ Российский патент 2019 года по МПК H02P25/20 H02P27/08 H02M7/483 H02M7/539 H02M7/5395 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к высоковольтному двигателю большой мощности и к управлению его приводом, в частности к системе звездообразного многофазного частотно-регулируемого привода с преобразованием высокого напряжения в низкое, и относится к области электродвигателей и управления ими.

Предпосылки создания изобретения

Частотно-регулируемое управление скоростью двигателей большой мощности является важным средством улучшения энергоэффективности двигателей. Благодаря непрерывному прогрессу в сфере силовых электронных устройств, широко применяются системы частотно-регулируемого управления скоростью двигателей большой мощности. Технические решения частотно-регулируемых приводов, которые обычно применяются в настоящее время, в основном сосредоточены на использовании частотного преобразователя совместно с обычным двигателем, и при этом не рассматривают частотно-регулируемый двигатель и систему частотно-регулируемого управления скоростью в качестве архитектуры в виде одной системы и характеризуются некоторыми ограничениями. Например, наиболее широко распространенное решение привода заключается в том, что высоковольтный трехфазный двигатель используют совместно с каскадными высоковольтными частотными преобразователями, и недостаток данного способа заключается в том, что уровни множества независимых H мостов каждой фазы являются разными, необходимо обеспечивать изоляцию и реализация рассевания тепла от жидкости и ее охлаждения является трудной; хотя решение трехуровневого частотно-регулируемого управления скоростью может решить проблему общей линии заземления силовых устройств, из-за ограничений выдерживаемого напряжения и силы тока силовых устройств невозможно реализовать выход высокого напряжения и высокой силы тока; хотя решение многоуровневого частотно-регулируемого управления скоростью может преодолеть некоторые ограничения напряжения, технология и аппаратная структура перераспределения напряжения являются слишком сложными; и решение двухуровневого трехфазного частотно-регулируемого управления скоростью ограничено напряжением и силой тока. Применительно к двигателю, из-за увеличения напряжения источника питания также сильно возросли требования к изоляционным системам и процессам изготовления высоковольтных двигателей, уменьшился срок службы изоляции двигателей, увеличились затраты на процесс производства, ухудшилась способность двигателей рассеивать тепло и уменьшилась удельная мощность.

Учитывая эти факторы, настоящее изобретение, в частности, предусмотрено для решения вышеупомянутых проблем.

Сущность изобретения

Техническая проблема, которую необходимо решить, и техническая задача, которую необходимо осуществить посредством настоящего изобретения, заключаются в усовершенствовании и улучшении существующего технического решения и в предоставлении системы звездообразного многофазного частотно-регулируемого привода с преобразованием высокого напряжения в низкое, с целью улучшения срока службы изоляции двигателей и улучшения способности двигателей рассеивать тепло. Таким образом, в настоящем изобретении применяется следующее техническое решение.

Система звездообразного многофазного частотно-регулируемого привода с преобразованием высокого напряжения в низкое содержит фазосдвигающий трансформатор, выпрямляющие схемы, схемы инверторов, многофазный двигатель и схему управления, соединенную с фазосдвигающим трансформатором, выпрямляющими схемами, схемами инверторов и многофазным двигателем, причем первичные обмотки фазосдвигающего трансформатора соединены с источником переменного тока, а вторичные обмотки фазосдвигающего трансформатора соединены с выпрямляющими схемами, и характеризуется тем, что количество вторичных обмоток равно количеству выпрямляющих схем, одна вторичная обмотка соединена с одной выпрямляющей схемой, все выпрямляющие схемы имеют общую линию заземления с формированием источника постоянного тока с общей линией заземления, и выходные концы выпрямляющих схем соединены со схемами инверторов. Сторона, соединенная со стороной магистральной электросети системы, является стороной первичной обмотки фазосдвигающего трансформатора, его вторичные обмотки представляют собой множество фазосдвигающих обмоток и фазосдвигающие углы равномерно распределены относительно фазосдвигающих обмоток согласно количеству фаз многофазного колебания частоты для уменьшения гармонического загрязнения стороны магистральной электросети. Посредством фазосдвигающего преобразования магистральную электросеть высокого напряжения можно эффективно преобразовать во множество независимых трехфазных источников переменного тока низкого напряжения, можно реализовать преобразование высокого напряжения в низкое в системе источника питания, при этом выпрямляющие схемы, схемы инверторов и многофазный двигатель на заднем конце могут быть спроектированы согласно спецификациям низкого напряжения, и таким образом, по сравнению с высоковольтным двигателем, очевидно можно уменьшить толщину изоляции обмоток двигателя, очевидно улучшается эффект рассеивания тепла и значительно улучшается коэффициент использования эффективных проводников в статоре двигателя. Каждый источник переменного тока после преобразования фазосдвигающим трансформатором соответствующим образом взаимнооднозначно сконфигурирован с одной выпрямляющей схемой переменного тока. По причине сдвига фаз амплитуда напряжения каждой схемы переменного тока слегка отличается, так что напряжение постоянного тока после выпрямления и фильтрации также слегка отличается, таким образом, это техническое решение использует фазосдвигающий трансформатор, и источники постоянного тока независимо существуют после выпрямления, и при этом все выпрямляющие схемы имеют общую линию заземления, охлаждающую конструкцию можно упростить, увеличивается диапазон выбора режимов охлаждения, причем это техническое решение реализует высокое напряжение и большую силу тока, вместе с этим конструкция является простой, уменьшается требование к изоляции, улучшается способность двигателя рассеивать тепло и увеличивается удельная мощность. В качестве дальнейшего усовершенствования и дополнения к вышеупомянутому техническому решению, настоящее изобретение дополнительно содержит следующие дополнительные технические признаки.

Количество схем инвертора равно количеству фаз статора многофазного двигателя, одна схема инвертора соединена с одним концом одной обмотки статора двигателя и другие концы обмоток статора двигателя соединены друг с другом для формирования многофазной звездообразной обмотки. Двигатель может представлять собой асинхронный двигатель или синхронный двигатель, и обмотки могут представлять собой витки, образованные с помощью прямоугольных медных магнитных проводов или одножильных/многожильных эмалированных круглых медных магнитных проводов.

Количество выпрямляющих схем равно количеству схем инвертора и одна выпрямляющая схема соединена с одной схемой инвертора, или количество схем инвертора равно целому числу, умноженному на количество выпрямляющих схем, схемы инверторов соединены параллельно для формирования параллельных групп схем многофазных инверторов, причем количество многофазных инверторов в каждой параллельной группе схем многофазных инверторов является одинаковым и одна выпрямляющая схема соединена с одной схемой инвертора. При достаточном количестве фаз двигателя можно реализовать результат, при котором одна вторичная фазосдвигающая обмотка обеспечивает питание для множества узлов и упрощается конструкция фазосдвигающего трансформатора.

Схемы многофазных инверторов представляют собой схемы полумостовых инверторов. По сравнению с каскадным высоковольтным трансформатором, количество силовых электронных устройств, применяемых в схемах инверторов, уменьшено наполовину и стоимость изделия может быть значительно уменьшена, и в то же время количество полупроводниковых PN узлов в каждом замкнутом контуре уменьшено с 4 до 2, потери энергии в схеме инвертора могут быть эффективно уменьшены и можно достичь улучшения эффективности.

Количество схем инвертора и обмоток статора многофазного двигателя является целым числом, которое больше или равно 5, и при этом количество схем инвертора и обмоток статора многофазного двигателя равно количеству вторичных обмоток фазосдвигающего трансформатора и выпрямляющих схем или больше этого количества в целое число раз.

Схема управления оснащена линией связи для осуществления управления приводом и обнаружения в режиме реального времени фазосдвигающего трансформатора, выпрямляющих схем, схем инверторов и многофазного двигателя с целью реализации требуемых управления, обратной связи и регулировки.

Схема управления оснащена человеко-машинным интерфейсом для наблюдения в режиме реального времени за работой фазосдвигающего трансформатора, выпрямляющих схем, схем инверторов и многофазного двигателя и для осуществления требуемого управления посредством корректировки принципов управления. Это техническое решение реализует операцию смены полюсов и смены фаз посредством корректировки принципов управления и улучшает коэффициент скорости системы, не увеличивая потери на вихревые токи двигателя.

Выпрямляющие схемы представляют собой трехфазные полномостовые выпрямляющие схемы и осуществляют выпрямление посредством диодов, кремниевых управляемых выпрямителей или биполярных транзисторов с изолированным затвором.

Фазосдвигающий трансформатор представляет собой сухой трансформатор или масляный трансформатор, и при этом первичные обмотки и вторичные обмотки фазосдвигающего трансформатора соединены в виде звездообразного соединения, треугольного соединения или сочетания звездообразного и треугольного соединений.

Схемы инверторов и выпрямляющие схемы имеют общую линию заземления, и при этом схемы инверторов представляют собой схемы двухуровневых мостовых инверторов, схемы трехуровневых мостовых инверторов или схемы многоуровневых мостовых инверторов.

Преимущества: 1. Благодаря соединению фазосдвигающего трансформатора с источниками переменного тока среднего или высокого напряжения, система эффективно уменьшает загрязнение, вызванное гармониками, которые образуются при работе системы, подключенной к магистральной электросети.

2. Поскольку выпрямляющие схемы на заднем конце фазосдвигающего трансформатора имеют общую линию заземления и все силовые модули схемы многофазного привода могут иметь общую линию заземления, обеспечивается большое удобство для расчета конструкции и теплового расчета механизма, и продукт может удобным образом использовать расчет конструкции водяного охлаждения системы.

3. По сравнению с каскадным высоковольтным частотным преобразователем, количество силовых электронных устройств в схеме инвертора уменьшено наполовину и стоимость изделия может быть значительно уменьшена, и в то же время количество полупроводниковых PN узлов в каждом замкнутом контуре уменьшено с 4 до 2, потери энергии в схеме инвертора могут быть эффективно уменьшены и можно достичь цели улучшения эффективности.

4. После проектирования двигателя с использованием спецификаций низкого напряжения вместо спецификаций высокого напряжения можно значительно улучшить коэффициент использования пазов в обмотке статора и увеличить удельную мощность; и по сравнению с обычным двигателем можно реализовать более высокую мощность при том же самом количестве корпусов или уменьшить количество корпусов при той же самой величине мощности, таким образом, при той же самой величине мощности значительно уменьшается количество использованного материала и реализуется экономия энергии и снижение излучения.

5. Поскольку количество фаз двигателя является большим, при отказе многофазного двигателя из-за определенной фазы силовых электронных устройств двигатель по-прежнему может генерировать вращающееся магнитное поле, так что система может работать непрерывно и можно предотвратить отключение.

6. Для системы многофазного частотно-регулируемого привода, управляющей асинхронным индукционным двигателем, можно реализовать операцию смены полюсов и смены фаз посредством корректировки принципов управления и улучшить коэффициент скорости системы без увеличения потерь на вихревые токи двигателя.

Описание графических материалов

На фиг. 1 схематически изображена одна топологическая структурная схема согласно настоящему изобретению.

На фиг. 2 схематически изображена другая топологическая структурная схема согласно настоящему изобретению.

Описание вариантов осуществления

Техническое решение настоящего изобретения будет подробнее описано далее, со ссылкой на графические материалы.

Вариант осуществления 1: как изображено на фиг. 1, настоящее изобретение содержит фазосдвигающий трансформатор, выпрямляющие схемы, схемы инверторов, многофазный двигатель и схему управления, соединенную с фазосдвигающим трансформатором, выпрямляющими схемами, схемами инверторов и многофазным двигателем, причем первичные обмотки фазосдвигающего трансформатора соединены с источником переменного тока, а вторичные обмотки фазосдвигающего трансформатора соединены с выпрямляющими схемами, причем количество вторичных обмоток равно количеству выпрямляющих схем, одна вторичная обмотка соединена с одной выпрямляющей схемой, все выпрямляющие схемы имеют общую линию заземления с формированием источника постоянного тока с общей линией заземления, и выходные концы выпрямляющих схем соединены со схемами инверторов, и при этом количество схем инвертора равно количеству фаз статора многофазного двигателя, при этом одна схема инвертора соединена с одним концом одной обмотки статора двигателя и другие концы обмоток статора двигателя соединены друг с другом для формирования многофазной звездообразной обмотки. Сторона, соединенная со стороной магистральной электросети системы, является стороной первичной обмотки фазосдвигающего трансформатора, его вторичные обмотки представляют собой множество фазосдвигающих обмоток и фазосдвигающие углы равномерно распределены относительно фазосдвигающих обмоток согласно количеству фаз многофазного колебания частоты для уменьшения гармонического загрязнения стороны магистральной электросети; посредством фазосдвигающего преобразования магистральная электросеть высокого напряжения можно эффективно преобразовать во множество независимых трехфазных источников переменного тока низкого напряжения, осуществляется преобразование высокого напряжения в низкое в системе источника питания, выпрямляющие схемы, схемы инверторов и многофазный двигатель на заднем конце могут быть спроектированы согласно спецификациям низкого напряжения, и, таким образом, по сравнению с высоковольтным двигателем, очевидно можно уменьшить толщину изоляции обмоток двигателя, очевидно улучшается эффект рассеивания тепла и значительно улучшается коэффициент использования эффективных проводников в статоре двигателя; каждый источник переменного тока после преобразования фазосдвигающим трансформатором соответствующим образом взаимнооднозначно сконфигурирован с одной выпрямляющей схемой переменного тока; по причине сдвига фаз, амплитуда напряжения каждой схемы переменного тока слегка отличается, так что напряжение постоянного тока после выпрямления и фильтрации также слегка отличается и, таким образом, это техническое решение использует фазосдвигающий трансформатор, и при этом источники постоянного тока независимо существуют после выпрямления, и все выпрямляющие схемы имеют общую линию заземления.

В контексте настоящего документа двигатель может представлять собой асинхронный двигатель или синхронный двигатель, и обмотки могут представлять собой витки, образованные с помощью прямоугольных медных магнитных проводов или одножильных/многожильных эмалированных круглых медных магнитных проводов. Количество выпрямляющих схем равно количеству схем инвертора и одна выпрямляющая схема соединена с одной схемой инвертора. Фазосдвигающий трансформатор представляет собой сухой трансформатор или масляный трансформатор, и при этом первичные обмотки и вторичные обмотки фазосдвигающего трансформатора соединены в виде звездообразного соединения, треугольного соединения или сочетания звездообразного и треугольного соединений. Схемы инверторов представляют собой схемы двухуровневых мостовых инверторов, схемы трехуровневых мостовых инверторов или схемы многоуровневых мостовых инверторов. Выпрямляющие схемы представляют собой трехфазные полномостовые выпрямляющие схемы и осуществляют выпрямление посредством диодов, кремниевых управляемых выпрямителей или биполярных транзисторов с изолированным затвором.

Для упрощения структуры линий и способствования реализации водяного охлаждения системы, схемы инверторов и выпрямляющие схемы имеют общую линию заземления.

Для уменьшения производственных затрат и для улучшения эффективности, схемы многофазных инверторов представляют собой схемы полумостовых инверторов. Количество полупроводниковых PN узлов в каждом замкнутом контуре равно 2, потери энергии в схеме инвертора могут быть эффективно уменьшены и можно достичь улучшения эффективности.

Для уменьшения напряжения в обмотке, уменьшения затрат на оборудование и улучшения эффективности работы, количество схем инвертора и обмоток статора многофазного двигателя является целым числом, которое больше или равно 5, и при этом количество схем инвертора и обмоток статора многофазного двигателя равно количеству вторичных обмоток фазосдвигающего трансформатора и выпрямляющих схем или больше этого количества в целое число раз.

Для реализации управления схема управления оснащена линией связи для осуществления управления приводом и обнаружения в режиме реального времени фазосдвигающего трансформатора, выпрямляющих схем, схем инверторов и многофазного двигателя с целью реализации требуемых управления, обратной связи и регулировки. Линия связи может представлять собой проводную или беспроводную линию, и посредством линии связи также можно реализовать дистанционное управление.

Для облечения отслеживания и регулировки параметров системы, схема управления оснащена человеко-машинным интерфейсом для наблюдения в режиме реального времени за работой фазосдвигающего трансформатора, выпрямляющих схем, схем инверторов и многофазного двигателя и для осуществления требуемого управления посредством корректировки принципов управления. Пользователь может регулировать принципы управления, используя человеко-машинный интерфейс, возможна реализация операции смены полюсов и смены фаз, и при этом коэффициент скорости системы улучшен без увеличения потерь на вихревые токи двигателя.

Вариант осуществления 2:

Отличия варианта осуществления 2 заключаются в том, что:

Для упрощения конструкции фазосдвигающего трансформатора, при достаточном количестве фаз двигателя можно получить результат, при котором одна вторичная фазосдвигающая обмотка обеспечивает питание для множества узлов; и, как изображено на фиг. 2, когда количество схем инвертора равно целому числу, умноженному на количество выпрямляющих схем, т. е. n/m=k (натуральное число), входные концы любых k схем инверторов соединены параллельно для формирования m параллельных групп схем инвертора, и вход каждой параллельной группы схем инверторов затем соединяется с выходом каждой выпрямляющей схемы.

Системы звездообразного многофазного частотно-регулируемого привода с преобразованием высокого напряжения в низкое, изображенные на фиг. 1 и фиг. 2, являются конкретными вариантами осуществления настоящего изобретения, причем выраженные существенные признаки и заметный прогресс настоящего изобретения уже были отражены, и все эквивалентные модификации таких его аспектов как форма и структура, выполненные в соответствии и фактическими эксплуатационными потребностями в соответствии с настоящим изобретением, должны быть включены в объем охраны настоящего изобретения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления приводом на базе высоковольтных двигателей большой мощности. Техническим результатом является обеспечение высоких значений напряжения и силы тока, упрощение, снижение требований к изоляции, улучшение способности двигателя рассеивать тепло и увеличение удельной мощности. Система звездообразного многофазного частотно-регулируемого привода с преобразованием высокого напряжения в низкое содержит фазосдвигающий трансформатор, выпрямляющие схемы, схемы инверторов, многофазный двигатель и схему управления, соединенную с фазосдвигающим трансформатором, выпрямляющими схемами, схемами инверторов и многофазным двигателем. Первичные обмотки фазосдвигающего трансформатора соединены с источником переменного тока, а вторичные обмотки фазосдвигающего трансформатора соединены с выпрямляющими схемами. Количество вторичных обмоток равно количеству выпрямляющих схем, одна вторичная обмотка соединена с одной выпрямляющей схемой. Все выпрямляющие схемы имеют общую линию заземления для формирования источника постоянного тока с общей линией заземления. Выходные концы выпрямляющих схем соединены со схемами инверторов. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система звездообразного многофазного частотно-регулируемого привода с преобразованием высокого напряжения в низкое, содержащая фазосдвигающий трансформатор, выпрямляющие схемы, схемы инверторов, многофазный двигатель и схему управления, соединенную с фазосдвигающим трансформатором, выпрямляющими схемами, схемами инверторов и многофазным двигателем, причем первичные обмотки фазосдвигающего трансформатора соединены с источником переменного тока, а вторичные обмотки фазосдвигающего трансформатора соединены с выпрямляющими схемами и при этом количество вторичных обмоток равно количеству выпрямляющих схем, одна вторичная обмотка соединена с одной выпрямляющей схемой, все выпрямляющие схемы имеют общую линию заземления с формированием источника постоянного тока с общей линией заземления и выходные концы выпрямляющих схем соединены со схемами инверторов;

при этом схема управления оснащена линией связи для осуществления управления приводом и обнаружения в режиме реального времени фазосдвигающего трансформатора, выпрямляющих схем, схем инверторов и многофазного двигателя с целью реализации требуемых управления, обратной связи и регулировки;

при этом схема управления оснащена человекомашинным интерфейсом для наблюдения в режиме реального времени за работой фазосдвигающего трансформатора, выпрямляющих схем, схем инверторов и многофазного двигателя и для осуществления требуемого управления посредством корректировки принципов управления.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что количество схем инвертора равно количеству фаз статора многофазного двигателя, причем одна схема инвертора соединена с одним концом одной обмотки статора двигателя и другие концы обмоток статора двигателя соединены друг с другом для формирования многофазной звездообразной обмотки.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что количество выпрямляющих схем равно количеству схем инвертора и одна выпрямляющая схема соединена с одной схемой инвертора или количество схем инвертора равно целому числу, умноженному на количество выпрямляющих схем, схемы инверторов соединены параллельно для формирования параллельных групп схем многофазных инверторов, количество многофазных инверторов в каждой параллельной группе схем многофазных инверторов является одинаковым и одна выпрямляющая схема соединена с одной схемой инвертора.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что схемы многофазных инверторов представляют собой схемы полумостовых инверторов.

5. Система по п. 2, отличающаяся тем, что количество схем инвертора и обмоток статора многофазного двигателя является целым числом, которое больше или равно 5 и при этом количество схем инвертора и обмоток статора многофазного двигателя равно количеству вторичных обмоток фазосдвигающего трансформатора и выпрямляющих схем или больше этого количества в целое число раз.

6. Система по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что выпрямляющие схемы представляют собой трехфазные полномостовые выпрямляющие схемы и осуществляют выпрямление посредством диодов, кремниевых управляемых выпрямителей или биполярных транзисторов с изолированным затвором.

7. Система по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что фазосдвигающий трансформатор представляет собой сухой трансформатор или масляный трансформатор и при этом первичные обмотки и вторичные обмотки фазосдвигающего трансформатора соединены в виде звездообразного соединения, треугольного соединения или сочетания звездообразного и треугольного соединений.

8. Система по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что схемы инверторов и выпрямляющие схемы имеют общую линию заземления и при этом схемы инверторов представляют собой схемы двухуровневых мостовых инверторов, схемы трехуровневых мостовых инверторов или схемы многоуровневых мостовых инверторов.