КАСКАДНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2020 года по МПК H02M5/458 H02P27/06 

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к статическим каскадным электрическим преобразователям частоты и может быть использовано в высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах переменного тока большой мощности с высокими показателями качества синтезируемого напряжения.

Известен преобразователь частоты (патент RU 2414043, МПК Н02М 5/452, опубл. 26.03.2010 г), содержащий входной выпрямитель, собранный по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя на последовательно соединенных тиристорах, конденсаторный делитель напряжения звена постоянного тока и трехфазный трехуровневый инвертор напряжения собранный по схеме с нулевой точкой. Недостаток устройства заключается в том, что потенциал нулевой точки относительно плюсовой и минусовой шины конденсаторного делителя звена постоянного тока будет значительно изменяться в зависимости от изменения нагрузки фаз инвертора и алгоритма работы силовых ключей трехуровнего инвертора напряжения. К недостаткам такой схемы так же следует отнести возможность формирования ограниченного количества уровней линейного напряжения на выходе инвертора напряжения и как следствие низкое качество синтезируемого напряжения.

Известен преобразователь частоты (патент CN 201057634, МПК H02M 5/44, опубл. 23.02.2006 г.), содержащий входной силовой трехфазный трехобмоточный трансформатор две вторичные обмотки которого соединены одна звездой другая треугольником и подключенные на трехфазные двухполупериодные неуправляемые выпрямители напряжения соединенные своими выходами согласованно последовательно и организующими трехуровневый источник постоянного напряжения, к которому подключен трехуровневый инвертор напряжения, собранный по схеме с нулевой точкой на полностью управляемых тиристорах. Недостатком известной схемы является наличие трехобмоточного силового трансформатора, рассчитанного на полную мощность электропривода, а так же то, что трехуровневый инвертор напряжения реализован на полностью управляемых тиристорах, имеющих ограничение по частоте коммутации и как следствие низкое качество синтезируемого напряжения на выходе преобразователя частоты. Таким образом, недостатком такой схемы является прямая зависимость качества выходного напряжения от частоты коммутации силовых полупроводниковых управляемых ключей инвертора, а так же невозможность масштабирования такой схемы на большую мощность при фиксированных параметрах используемых полупроводниковых ключей. К недостаткам такого схемного решения так же следует отнести возможность формирования ограниченного количества уровней линейного напряжения на выходе инвертора напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому выбранное в качестве прототипа является устройство каскадного преобразователя частоты для управления электрической машиной переменного тока (патент US5625545 А, класс H02M7/515, Medium voltage PWM drive and method, Peter W/ Hammond, приоритет заявки 01.05.1994, дата публикации 29.04.1997), содержащее многообмоточный силовой трансформатор и последовательно соединенные ячейки в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты. Каждая ячейка каскадного преобразователя частоты выполнена в виде однофазного преобразователя частоты выполненного с двухуровневым инвертором напряжения. Вход каждого однофазного преобразователя частоты соединен с выходами вторичных обмоток многообмоточного силового трансформатора, а выходы однофазных преобразователей частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты соединены последовательно и образуют условные начала и концы фаз каскадного преобразователя частоты. Причем условные начала фаз каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы подключены к выводам электродвигателя переменного тока. Достоинством такой схемы является масштабируемость и возможность реализации такой схемы электрического преобразователя практически не ограниченной мощности, поскольку наращивание мощности в такой схеме осуществляется за счет наращивания напряжения в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты.

Недостатком известного каскадного преобразователя частоты является наличие сложного многообмоточного силового согласующего трансформатора имеющего сложную схему намотки и соединения вторичных независимых обмоток. К недостаткам известного каскадного преобразователя частоты так же следует отнести фиксированное и ограниченное число уровней синтезируемого напряжения на выходе, высокая стоимость, а также сложная и разветвленная система управления. К недостаткам известного устройства так же можно отнести отсутствие возможности исключения из работы ряда однофазных ячеек одного уровня в долевых режимах работы каскадного преобразователя частоты.

Технический результат от использования предложенного устройства заключается в повышении энергетической эффективности при работе в долевых режимах, увеличение числа уровней мгновенно синтезируемого напряжения и частоты модулированного напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты, повышение надежность работы. Предложенный каскадный преобразователь частоты позволяет секционировать уровни напряжений каскадного преобразователя частоты, значительно упростить конструкцию согласующего трансформатора уровня. Это позволит разработчику преобразователя частоты унифицировать и стандартизировать ячейки уровня и согласующий силовой трансформатор. К достоинствам предложенного каскадного преобразователя частоты так же следует отнести универсальность и масштабируемость схемного решения для реализации электропривода практически не ограниченной мощности. Кроме того к достоинствам предложенного каскадного преобразователя частоты следует отнести простоту схемотехнической реализации основного составного элемента - однофазного преобразователя частоты. Предложенный преобразователь частоты позволит значительно увеличить срок эксплуатации электрической машины, так как питание обмоток осуществляется практически синусоидальным напряжением, что значительно продлевает срок службы изоляции обмоток электрической машины. При этом токи, потребляемые электрической машиной, будут практически синусоидальными, что положительно скажется на величине пульсации электромагнитного момента а, следовательно, и виброшумовых характеристиках (ВШХ) электрической машины, а также сроке эксплуатации ее подшипников. Кроме того предложенная схема каскадного преобразователя частоты позволяет использовать распространенные, отработанные и недорогие низковольтные электронные элементы и компоненты в каждой элементарной ячейке каскадного преобразователя частоты - однофазном преобразователе частоты.

Для решения указанных проблем используется следующая совокупность существенных признаков: в каскадном преобразователе частоты, (содержащем, так же как и прототип, систему управления, источник переменного напряжения, многообмоточный силовой трансформатор, однофазные преобразователи частоты, сгруппированные по ячейкам уровня и фазам каскадного преобразователя частоты, причем выходы однофазного преобразователя частоты каждой из ячеек уровня в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты соединены последовательно и образуют условные начала и концы фаз каскадного преобразователя частоты, причем условные начала фаз каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы подключены к выводам электродвигателя переменного тока, причем каждая ячейка уровня содержит такое количество однофазных преобразователей частоты, количество которых равно числу фаз электродвигателя переменного тока и числу фаз каскадного преобразователя частоты, каждая из фаз каскадного преобразователя частоты содержит такое количество однофазных преобразователей частоты, число которых равно числу ячеек уровня каскадного преобразователя частоты, каждый из однофазных преобразователей частоты содержит выпрямитель напряжения, конденсатор звена постоянного тока и однофазный инвертор напряжения, собранный на четырех транзисторах каждый из которых содержит антипараллельный диод), в отличие от прототипа каскадный преобразователь частоты содержит дополнительные многообмоточные силовые трансформаторы, локальные системы управления, автоматические выключатели и блок питания системы управления, причем количество всех многообмоточных силовых трансформаторов, локальных систем управления и автоматических выключателей равно количеству ячеек уровня каскадного преобразователя частоты, количество независимых вторичных обмоток каждого многообмоточного силового трансформатора равно числу фаз каскадного преобразователя частоты, причем первичная обмотка каждого из многообмоточных силовых трансформаторов через свой автоматический выключатель подключена к фазам источника переменного напряжения, вторичные обмотки каждого из многообмоточных силовых трансформаторов независимо подключены к входам однофазных преобразователей частоты своей ячейки уровня каскадного преобразователя частоты, управляющие выводы транзисторов каждого однофазного преобразователя частоты каждой ячейки уровня каскадного преобразователя частоты подключены к своей локальной системе управления, локальные системы управления ячеек уровня каскадного преобразователя частоты подключены к системе управления, питание которой осуществляется от блока питания системы управления, который подключен к фазам источника переменного напряжения. Кроме того каскадный преобразователь частоты может содержать дополнительные источники переменного напряжения и дополнительные блоки питания, причем суммарное количество источников переменного напряжения и блоков питания равно количеству ячеек уровня каскадного преобразователя частоты, а каждая из первичных обмоток каждого из многообмоточных силовых трансформаторов через свой автоматический выключатель подключена к фазам своего источника переменного напряжения, при этом каждый из блоков питания системы управления подключен к фазам своего источника переменного напряжения, а выходы блоков питания подключены к системе управления. Кроме того каскадный преобразователь частоты может содержать многофазные дроссели, количество которых равно произведению количества многообмоточных силовых трансформаторов на количество фаз каскадного преобразователя частоты, причем каждый из многофазных дросселей включен в цепь между выводами каждой из вторичных обмоток каждого из многообмоточных силовых трансформаторов и входом выпрямителя напряжения каждого из однофазных преобразователей частоты, а выпрямитель напряжения каждого из однофазных преобразователей частоты выполнен полностью управляемым, обратимым. Кроме того каскадный преобразователь частоты может быть выполнен так что каждый из автоматических выключателей каскадного преобразователя частоты имеет электромагнитный привод управления автоматическим выключателем, управление каждым из которых заведено в систему управления.

Сущность изобретения заключается в том, что каскадный преобразователь частоты разбит по уровням, каждый из которых содержит локальную систему управления, вводный автоматический выключатель, силовой согласующий трансформатор, обеспечивающий независимое питание однофазных преобразователей частоты уровня. При этом питание однофазных преобразователей частоты разных уровней может быть осуществлено различным уровнем напряжения, что позволит значительно увеличить качество выходного напряжения каскадного преобразователя частоты. Такое схемное решение позволяет секционировать уровни напряжений каскадного преобразователя частоты, а также значительно упростить конструкцию согласующего трансформатора уровня. Указанный результат достигается за счет использования независимого питания однофазных преобразователей частоты от своего согласующего трансформатора. При этом в отличие от прототипа в предложенном каскадном преобразователе частоты используются трансформаторы которые имеют более простую схему и конструкцию, а при синтезе выходного напряжения каскадного преобразователя частоты могут быть использованы только один либо несколько уровней каскадного преобразователя частоты из всего их количества. Кроме того одним из вариантов предложенного каскадного преобразователя частоты может быть исполнение в котором в каждой однофазном преобразователе частоты использован активный выпрямитель который позволяет осуществлять рекуперацию энергии в сеть и значительно расширяет функциональные возможности каскадного преобразователя частоты.

Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача - повышение энергетической эффективности, КПД и экономичности, увеличение числа уровней синтезируемого напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты, а также значительное упрощение конструкции, намотки обмоток и схемы соединения согласующего многообмоточного силового трансформатора, решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию «новизна».

В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электротехники не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на Фиг. 1 представлена базовая схема предложенного каскадного преобразователя частоты (для варианта с тремя (N=3) фазами каскадного преобразователя частоты и тремя фазами электродвигателя переменного тока);

на Фиг. 2 - схема каскадного преобразователя частоты с несколькими источниками переменного напряжения (для варианта с тремя (N=3) фазами каскадного преобразователя частоты и тремя фазами электродвигателя переменного тока);

на Фиг. 3 - схема каскадного преобразователя частоты с многофазными дросселями и обратимыми однофазными преобразователями частоты (для варианта с тремя (N=3) фазами каскадного преобразователя частоты и тремя фазами электродвигателя переменного тока);

на Фиг. 4 - схема каскадного преобразователя частоты с автоматическими выключателями, каждый из которых содержит электромагнитный привод, управление которым заведено в систему управления (для варианта с тремя (N=3) фазами каскадного преобразователя частоты и тремя фазами электродвигателя переменного тока);

на Фиг. 5 - осциллограмма синтезируемого фазного напряжения каскадного преобразователя частоты, который получает питание от двух (К=2) многообмоточных силовых трансформаторов с одинаковым уровнем напряжения на вторичных обмотках;

на Фиг. 6 - осциллограмма синтезируемого фазного напряжения каскадного преобразователя частоты, который получает питание от двух (К=2) многообмоточных силовых трансформаторов с различным уровнем напряжения на вторичных обмотках (в соотношении 1/3 и 2/3), при этом мгновенные уровни выходного напряжения определяются суммой напряжении синтезируемых двумя однофазными преобразователями частоты в фазе каскадного преобразователя частоты;

на Фиг. 7 - осциллограмма синтезируемого фазного напряжения каскадного преобразователя частоты, который получает питание от двух (К=2) многообмоточных силовых трансформаторов с различным уровнем напряжения на вторичных обмотках (в соотношении 1/4 и 3/4), при этом мгновенные уровни выходного напряжения определяются суммой и разностью напряжении синтезируемых двумя однофазными преобразователями частоты в фазе каскадного преобразователя частоты;

на Фиг. 8 - таблица, которая отображает связь уровней напряжения на вторичных обмотках многообмоточных силовых трансформаторов и количества однофазных преобразователей частоты включенных последовательно в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты с количеством синтезируемых уровней напряжения (качеством синтезируемого напряжения) на его выходе при различных алгоритмах управления.

Предлагаемое устройство выполнено в следующем составе.

Каскадный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 1 (для варианта с тремя (N=3) фазами каскадного преобразователя частоты и тремя фазами электродвигателя переменного тока), содержит систему управления 1, источник переменного напряжения 2-1, многообмоточный силовой трансформатор 3-1, однофазные преобразователи частоты 4-1÷4-K⋅N, сгруппированные по ячейкам уровня 5-1÷5-K и фазам 6-1÷6-N каскадного преобразователя частоты. Выходы однофазного преобразователя частоты 4-1 (4-2÷4-K⋅N) каждой из ячеек уровня 5-1 (5-2÷5-K) в каждой из фаз 6-1 (6-2÷6-N) каскадного преобразователя частоты соединены последовательно и образуют условные начала и концы фаз 6-1 (6-2÷6-N) каскадного преобразователя частоты. Условные начала фаз 6-1 (6-2÷6-N) каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы подключены к выводам электродвигателя переменного тока 7. Каждая ячейка уровня 5-1 (5-2÷5-K) содержит такое количество однофазных преобразователей частоты 4-1÷4-K⋅N, количество которых равно числу фаз электродвигателя переменного тока 7 и числу фаз 6-1÷6-N каскадного преобразователя частоты. Каждая из фаз 6-1 (6-2÷6-N) каскадного преобразователя частоты содержит такое количество однофазных преобразователей частоты 4-1÷4-K⋅N, число которых равно числу ячеек уровня 5-1÷5-K каскадного преобразователя частоты. Каждый из однофазных преобразователей частоты 4-1÷4-K⋅N содержит выпрямитель напряжения 8, конденсатор 9 звена постоянного тока и однофазный инвертор напряжения 10 собранный на четырех транзисторах 11, 12, 13, 14 каждый из которых содержит антипараллельный диод. Каскадный преобразователь частоты содержит дополнительные многообмоточные силовые трансформаторы 3-2÷3-K, локальные системы управления 15-1÷15-K, автоматические выключатели 16-1÷16-K и блок питания 17-1 системы управления 1. Количество всех многообмоточных силовых трансформаторов 3-1÷3-K, локальных систем управления 15-1÷15-K и автоматических выключателей 16-1÷16-K равно количеству ячеек уровня 5-1÷5-K каскадного преобразователя частоты. Количество независимых вторичных обмоток каждого многообмоточного силового трансформатора 3-1 (3-2÷3-K) равно числу фаз 6-1÷6-N каскадного преобразователя частоты. Первичная обмотка каждого из многообмоточных силовых трансформаторов 3-1 (3-2÷3-K) через свой автоматический выключатель 16-1 (16-2÷16-K) подключена к фазам источника переменного напряжения 2-1. Вторичные обмотки каждого из многообмоточных силовых трансформаторов 3-1 (3-2÷3-K) независимо подключены к входам однофазных преобразователей частоты 4-1÷4-K⋅N своей ячейки уровня 5-1 (5-2÷5-K) каскадного преобразователя частоты. Управляющие выводы транзисторов 11, 12, 13, 14 каждого однофазного преобразователя частоты 4-1 (4-2÷4-K⋅N) каждой ячейки уровня 5-1 (5-2÷5-K) каскадного преобразователя частоты подключены к своей локальной системе управления 15-1 (15-2÷15-K). Локальные системы управления 15-1÷15-K ячеек уровня 5-1÷5-K каскадного преобразователя частоты подключены к системе управления 1. Питание системы управления 1 осуществляется от блока питания 17-1 системы управления 1 который подключен к фазам источника переменного напряжения 2-1.

Каскадный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 2 (для варианта с тремя (N=3) фазами каскадного преобразователя частоты и тремя фазами электродвигателя переменного тока) содержит дополнительные источники переменного напряжения 2-2÷2-K и дополнительные блоки питания 17-2÷17-K. Суммарное количество источников переменного напряжения 2-1÷2-K и блоков питания 17-1÷17-K равно количеству ячеек уровня 5-1÷5-K каскадного преобразователя частоты. Каждая из первичных обмоток каждого из многообмоточных силовых трансформаторов 3-1 (3-2÷3-K) через свой автоматический выключатель 16-1 (16-2÷16-K) подключена к фазам своего источника переменного напряжения 2-1 (2-2÷2-K). При этом каждый из блоков питания 17-1÷17-K системы управления 1 подключен к фазам своего источника переменного напряжения 2-1 (2-2÷2-K), а выходы блоков питания 17-1÷17-K подключены к системе управления 1.

Каскадный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 3 (для варианта с тремя (N=3) фазами каскадного преобразователя частоты и тремя фазами электродвигателя переменного тока) содержит многофазные дроссели 18-1÷18-K⋅N. Количество многофазных дросселей 18-1÷18-K⋅N равно произведению количества многообмоточных силовых трансформаторов 3-1÷3-K на количество фаз 6-1÷6-N каскадного преобразователя частоты. Каждый из многофазных дросселей 18-1 (18-2÷18-K⋅N) включен в цепь между выводами каждой из вторичных обмоток каждого из многообмоточных силовых трансформаторов 3-1 (3-2÷3-K) и входом выпрямителя напряжения 8 каждого из однофазных преобразователей частоты 4-1 (4-2÷4-K⋅N). Выпрямитель напряжения 8 каждого из однофазных преобразователей частоты 4-1 (4-2÷4-K⋅N) выполнен полностью управляемым, обратимым.

Каскадный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 4 (для варианта с тремя (N=3) фазами каскадного преобразователя частоты и тремя фазами электродвигателя переменного тока) содержит автоматические выключатели 16-1÷16-K каждый из которых имеет электромагнитный привод управления автоматическим выключателем 16-1 (16-2÷16-K), управление каждым из которых заведено в систему управления 1.

Работа каскадного преобразователя частоты происходит следующим образом.

В предложенной схеме каскадного преобразователя частоты (Фиг. 1) за счет того что он содержит вводные автоматические выключатели 16-1÷16-K, многообмоточные силовые трансформаторы 3-1÷3-K и однофазные преобразователи частоты 4-1÷4-K⋅N со своими локальными системами управления 15-1÷15-K сгруппированными по уровням каскадного преобразователя частоты появляется возможность исключать из работы ячейки уровней 5-1 (5-2÷5-K) каскадного преобразователя частоты и многообмоточные силовые трансформаторы 3-1 (3-2÷3-K) в долевых режимах работы каскадного преобразователя частоты. Тем самым повышается энергетическая эффективность электропривода и его КПД. Так при работе на половине установленной мощности электропривода из работы могут быть исключены половина ячеек уровня 5-1 (5-2÷5-K) из всех K и отключены от фаз питающей сети 2-1 половина подключенных к этим ячейкам уровня многообмоточные силовые трансформаторы 3-1÷3-K по средствам соответствующих автоматических выключателей 16-1 (16-2÷16-K). При этом в однофазных преобразователях частоты 4-1÷4-K⋅N неработающих ячеек уровней 5-1 (5-2÷5-K) должны быть постоянно включены транзисторы 11, 13 или 12, 14 инвертора напряжения 10. В этом случае на выходе неработающих однофазных преобразователей частоты 4-1÷4-K⋅N будет синтезироваться нулевой уровень напряжения.

Кроме того предложенная схема каскадного преобразователя частоты (Фиг. 1) позволяет осуществлять синтез 2⋅К+1 уровня выходного фазного напряжения при одинаковом уровне напряжения на вторичных обмотках многообмоточных силовых трансформаторов 3-1÷3-K, где К-число последовательно включенных однофазных преобразователей частоты 4-1÷4-K⋅N в фазе 6-1 (6-2÷6-N) каскадного преобразователя частоты. При различных уровнях напряжения на вторичных обмотках многообмоточных силовых трансформаторов 3-1÷3-K определяемых соотношениями, представленными в таблице на Фиг. 8 количество синтезируемых уровней фазного напряжения каскадного преобразователя частоты может быть увеличено. На Фиг. 5 - представлена осциллограмма синтезируемого фазного напряжения каскадного преобразователя частоты, который получает питание от двух (К=2) многообмоточных силовых трансформаторов с одинаковым уровнем напряжения на вторичных обмотках. На Фиг. 6 - представлена осциллограмма синтезируемого фазного напряжения каскадного преобразователя частоты, который получает питание от двух (К=2) многообмоточных силовых трансформаторов с различным уровнем напряжения на вторичных обмотках (в соотношении 1/3 и 2/3), при этом мгновенные уровни выходного напряжения определяются суммой напряжении синтезируемых двумя однофазными преобразователями частоты в фазе каскадного преобразователя частоты. Как видно, что разница количества уровней синтезируемого напряжения даже для двух однофазных преобразователей частоты 4-1÷4-K⋅N в фазе 6-1 (6-2÷6-N) каскадного преобразователя частоты существенно отличается.

Предложенную схему отличает высокая степень надежности, поскольку выход из строя любого одного из транзисторов 11, 12, 13, 14 (по статистике транзисторы, как правило, выходят из строя на короткое замыкание) одного либо нескольких однофазных преобразователей частоты 4-1÷4-K⋅N не приведет к отказу всего каскадного преобразователя частоты, и он будет продолжать работать с ограничением выходной мощности электродвигателя переменного тока 7.

Отличительной особенностью схемы является высокое качество синтезируемого напряжения, универсальность и масштабируемость предложенного решения позволяющего реализовать электропривод любой установленной мощности последовательным соединением ячеек уровня 5-1÷5-K со своими многообмоточными согласующими трансформаторами 3-1÷3-K и наращиванием мощности электропривода увеличением напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты.

С целью обеспечения надежной работы электропривода на основе предложенного каскадного преобразователя частоты в случае кратковременного либо продолжительного отключения напряжения на фазах питающей сети 2-1 схема каскадного преобразователя частоты, изображенная на Фиг. 2 может содержать дополнительные источники переменного напряжения 2-2÷2-K и дополнительные блоки питания 17-2÷17-K. В такой схеме отключение напряжения на одном или нескольких из источников переменного напряжения 2-1÷2-K из всего их количества не приведет к отключению и прекращению работы электропривода. Для работы электропривода с каскадным преобразователем частоты изображенным на Фиг. 2 достаточно чтобы на одном из источников переменного напряжения 2-1÷2-K присутствовало питание.

С целью увеличения уровней синтезируемого напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты представленного на Фиг. 3 он должен быть снабжен многофазными дросселями 18-1÷18-K⋅N включенными в цепь между выводами каждой из вторичных обмоток каждого из многообмоточных силовых трансформаторов 3-1 (3-2÷3-K) и входом выпрямителя напряжения 8 каждого из однофазных преобразователей частоты 4-1 (4-2÷4-K⋅N). При этом выпрямитель напряжения 8 каждого из однофазных преобразователей частоты 4-1 (4-2÷4-K⋅N) выполнен полностью управляемым, обратимым. Такое схемное решение позволит регулировать уровни напряжения на конденсаторе 9 звена постоянного тока каждого из однофазных преобразователей частоты 4-1 (4-2÷4-K⋅N) и осуществлять рекуперацию энергий от электродвигателя переменного тока 7 в питающую сеть 2-1. Кроме того такое схемное решение позволит увеличить количество уровней синтезируемого напряжения за счет суммирования и вычитания выходного напряжения однофазных преобразователей частоты 4-1 (4-2÷4-K⋅N) в каждой из фаз 6-1 (6-2÷6-N) каскадного преобразователя частоты. При такой реализации каждого из однофазных преобразователей частоты 4-1 (4-2÷4-K⋅N) число уровней синтезируемого напряжения будет равно , где К - число последовательно включенных однофазных преобразователей частоты 4-1÷4-K⋅N в каждой из фаз 6-1 (6-2÷6-S) каскадного преобразователя частоты. На Фиг. 7 - представлена осциллограмма синтезируемого фазного напряжения каскадного преобразователя частоты, который получает питание от двух (К=2) многообмоточных силовых трансформаторов 3-1÷3-K с различным уровнем напряжения на вторичных обмотках (в соотношении 1/4 и 3/4). При этом мгновенные уровни выходного напряжения каждой из фаз 6-1 (6-2÷6-S) каскадного преобразователя частоты определяются суммой и разностью напряжении синтезируемых двумя однофазными преобразователями частоты 4-1÷4-K⋅N в фазе 6-1 (6-2÷6-S) каскадного преобразователя частоты. На Фиг. 8 - представлена таблица, которая отображает связь уровней напряжения на вторичных обмотках многообмоточных силовых трансформаторов 3-1÷3-K и количества однофазных преобразователей частоты 4-1÷4-K⋅N включенных последовательно в каждой из фаз 6-1 (6-2÷6-S) каскадного преобразователя частоты с количеством синтезируемых уровней напряжения (качеством синтезируемого напряжения) на его выходе при различных алгоритмах управления. Такое схемное решение позволит существенно повысить качество синтезируемого напряжения при работе в установившихся режимах работы, а также улучшить ВШХ электропривода.

С целью автоматизации процесса управления каскадным преобразователем частоты и повышением его энергетической эффективности а также КПД каскадный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 4 (для варианта с тремя (N=3) фазами каскадного преобразователя частоты и тремя фазами электродвигателя переменного тока) может быть снабжен автоматическими выключателями 16-1÷16-K каждый из которых имеет электромагнитный привод управления автоматическим выключателем 16-1 (16-2÷16-K), управление каждым, из которых заведено в систему управления 1. Такое схемное решение позволит автоматизировать процесс набора схемы и состава работающих ячеек уровня 5-1÷5-K и многообмоточных силовых трансформаторов 3-1÷3-K в зависимости от текущей нагрузки на электродвигатель переменного тока 7 без участия оператора.

Таким образом, предложенная структура позволит с использованием стандартных ячеек уровня с согласующими трансформаторами реализовать электропривод любой установленной мощности последовательным соединением ячеек уровня со своими согласующими трансформаторами и наращиванием мощности электропривода увеличением напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты. Кроме того предложенная схема каскадного преобразователя частоты при работе электропривода в долевых режимах работы с ограничением выходной мощности позволяет выводить из работы незадействованные ячейки уровня со своими согласующими трансформаторами. Тем самым в долевых режимах работы повышается КПД и энергетическая эффективность каскадного преобразователя частоты и электропривода в целом. Кроме того предложенная схема каскадного преобразователя частоты позволяет осуществлять синтез значительно большего числа уровней напряжения при установке согласующих трансформаторов с разными уровнями напряжения вторичных обмоток либо использованием обратимых однофазных преобразователей частоты. Таким образом, предложенная схема каскадного преобразователя частоты характеризуется универсальностью схемы с использованием стандартных серийно выпускаемых комплектующих изделии, высокими показателями качества выходного напряжения и может быть использована в качестве устройства регулирования момента, скорости или мощности на валу исполнительного электродвигателя практически любого электропривода переменного тока.

Изобретение было создано специалистами кафедры «Электропривода и электрооборудования береговых установок» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова», которое в составе электропривода гребной электрической установки большой мощности было апробировано на имитационной математической модели. Полученные результаты позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к статическим каскадным электрическим преобразователям частоты и может быть использовано в высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах переменного тока большой мощности с высокими показателями качества синтезируемого напряжения. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности и КПД, упрощении конструкции силового согласующего многообмоточного трансформатора, улучшении эксплуатационных характеристик, увеличении качества синтезируемого напряжения и др. Как и прототип, преобразователь содержит однофазные преобразователи частоты, сгруппированные по ячейкам уровня и фазам каскадного преобразователя частоты. В отличие от прототипа устройство дополнительно снабжено автоматическими выключателями уровней и независимыми согласующими трансформаторами напряжения, каждый из которых питает однофазные преобразователи частоты своего уровня. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Каскадный преобразователь частоты, содержащий систему управления, источник переменного напряжения, многообмоточный силовой трансформатор, однофазные преобразователи частоты, сгруппированные по ячейкам уровня и фазам каскадного преобразователя частоты, причем выходы однофазного преобразователя частоты каждой из ячеек уровня в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты соединены последовательно и образуют условные начала и концы фаз каскадного преобразователя частоты, причем условные начала фаз каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы подключены к выводам электродвигателя переменного тока, причем каждая ячейка уровня содержит такое количество однофазных преобразователей частоты, количество которых равно числу фаз электродвигателя переменного тока и числу фаз каскадного преобразователя частоты, каждая из фаз каскадного преобразователя частоты содержит такое количество однофазных преобразователей частоты, число которых равно числу ячеек уровня каскадного преобразователя частоты, каждый из однофазных преобразователей частоты содержит выпрямитель напряжения, конденсатор звена постоянного тока и однофазный инвертор напряжения собранный на четырех транзисторах, каждый из которых содержит антипараллельный диод, отличающийся тем, что дополнительно содержит многообмоточные силовые трансформаторы, локальные системы управления, автоматические выключатели и блок питания системы управления, причем количество всех многообмоточных силовых трансформаторов, локальных систем управления и автоматических выключателей равно количеству ячеек уровня каскадного преобразователя частоты, количество независимых вторичных обмоток каждого многообмоточного силового трансформатора равно числу фаз каскадного преобразователя частоты, причем первичная обмотка каждого из многообмоточных силовых трансформаторов через свой автоматический выключатель подключена к фазам источника переменного напряжения, вторичные обмотки каждого из многообмоточных силовых трансформаторов независимо подключены к входам однофазных преобразователей частоты своей ячейки уровня каскадного преобразователя частоты, управляющие выводы транзисторов каждого однофазного преобразователя частоты каждой ячейки уровня каскадного преобразователя частоты подключены к своей локальной системе управления, локальные системы управления ячеек уровня каскадного преобразователя частоты подключены к системе управления, питание которой осуществляется от блока питания системы управления который подключен к фазам источника переменного напряжения.

2. Каскадный преобразователь частоты по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит источники переменного напряжения и блоки питания, причем суммарное количество источников переменного напряжения и блоков питания равно количеству ячеек уровня каскадного преобразователя частоты, а каждая из первичных обмоток каждого из многообмоточных силовых трансформаторов через свой автоматический выключатель подключена к фазам своего источника переменного напряжения, при этом каждый из блоков питания системы управления подключен к фазам своего источника переменного напряжения, а выходы блоков питания подключены к системе управления.

3. Каскадный преобразователь частоты по п.1, отличающийся тем, что содержит многофазные дроссели, количество которых равно произведению количества многообмоточных силовых трансформаторов на количество фаз каскадного преобразователя частоты, причем каждый из многофазных дросселей включен в цепь между выводами каждой из вторичных обмоток каждого из многообмоточных силовых трансформаторов и входом выпрямителя напряжения каждого из однофазных преобразователей частоты, а выпрямитель напряжения каждого из однофазных преобразователей частоты выполнен полностью управляемым, обратимым.

4. Каскадный преобразователь частоты по п.1, отличающийся тем, что каждый из автоматических выключателей каскадного преобразователя частоты имеет электромагнитный привод управления автоматическим выключателем, управление каждым из которых заведено в систему управления.