Частотно-регульований високовольтний електропривод
Номер патенту: 63759
Опубліковано: 25.10.2011
Формула / Реферат
Частотно-регульований високовольтний електропривод, що містить блок керування, багатообмотковий трансформатор, первинна обмотка якого підключена до мережі високої напруги, а вторинні обмотки, що виконані за схемою "трикутник-авто" для забезпечення фазового зсуву трансформованої напруги живлять силові блоки "випрямляч-інвертор", які своїми вихідними виводами в кожній фазі включені послідовно, причому кількість послідовно з'єднаних силових блоків та відповідно вторинних обмоток трансформатора визначається рівнем номінальної вихідної напруги, крім того перші вихідні виводи перших з послідовно з'єднаних силових блоків "випрямляч-інвертор" різнойменних фаз з'єднуються у загальну точку, другі вихідні виводи попередніх силових блоків в кожній фазі з'єднано з першими вихідними виводами наступних силових блоків, а другі вихідні виводи останніх з послідовно з'єднаних силових блоків "випрямляч-інвертор" різнойменних фаз з'єднано з відповідними вхідними виводами високовольтного електродвигуна, причому кожен з силових блоків містить вхідні запобіжники, які першими виводами приєднуються до відповідних вторинних обмоток трансформатора, некерований мостовий випрямляч, що виконаний на шести діодних модулях, ємнісну ланку та однофазний мостовий автономний інвертор напруги, що виконаний на чотирьох IGBT-модулях, а також байпасне коло, що включено між першим та другим вихідними виводами силового блока, який відрізняється тим, що байпасне коло кожного силового блока "випрямляч-інвертор" виконано на базі зустрічно-послідовного з'єднання двох IGBT-модулів зі зворотними діодами, а між другими виводами запобіжників різнойменних фаз кожного силового блока включено три нелінійних обмежувачі перенапруг.
Текст
Частотно-регульований високовольтний електропривод, що містить блок керування, багатообмотковий трансформатор, первинна обмотка якого підключена до мережі високої напруги, а вторинні обмотки, що виконані за схемою "трикутник-авто" для забезпечення фазового зсуву трансформованої напруги живлять силові блоки "випрямлячінвертор", які своїми вихідними виводами в кожній фазі включені послідовно, причому кількість послідовно з'єднаних силових блоків та відповідно вторинних обмоток трансформатора визначається рівнем номінальної вихідної напруги, крім того перші вихідні виводи перших з послідовно з'єднаних силових блоків "випрямляч-інвертор" різнойменних фаз з'єднуються у загальну точку, другі вихідні U 2 (13) 1 3 вхідний багатообмотковий трансформатор, первинна обмотка якого підключена до мережі високої напруги, а вторинні обмотки живлять відповідні силові блоки «випрямляч-інвертор». Як правило, випрямлячі силових блоків виконуються на базі трифазної мостової схеми із діодними модулями, а автономні інвертори напруги виконуються на базі однофазних керованих мостів на IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - біполярних транзисторах з ізольованими затворами) зі зворотними діодами. Силові блоки «випрямляч-інвертор» в кожній фазі з'єднуються послідовно. Таким чином в даному електроприводі формування вихідної напруги кожної фази відбувається у вигляді ступінчатої синусоїди, шляхом складання рівнів напруги послідовно-з'єднаних силових блоків. Недоліком такого електроприводу є недостатня його надійність при пошкодженні одного з силових блоків «випрямляч-інвертор». Завдяки тому, що силові блоки своїми вихідними виводами включені послідовно з електродвигуном, будь-які пошкодження бодай одного з силових блоків приводять до раптової зупинки електродвигуна, й до відключення електроприводу. Це може привести до важких технологічних порушень, що пов'язані із зупинкою приводного механізму. Відомий частотно-регульований високовольтний електропривод [3], що виконаний на базі багаторівневого перетворювача частоти, який відрізняється від попереднього аналога тим, що кожен з силових блоків «випрямляч-інвертор» додатково містить байпасне коло, яке при пошкодженні силового блока шунтує його вихідні виводи. Таким чином, струм навантаження електродвигуна проходить по байпасному колу, що забезпечує працездатність електроприводу при пошкодженні одного чи декількох силових блоків. Для захисту від струмів короткого замикання перед випрямляльним мостом в кожному силовому блоці встановлено вхідні запобіжники. Недоліком такого електроприводу є виконання байпасного кола на базі однофазного діодного моста та тиристора, що включений у діагоналі постійного струму цього моста. Як показали практичні дослідження, при роботі транзисторів силового блока в режимі широтно-імпульсної модуляції, вихідна напруга інвертора, що також прикладається до байпасного кола, характеризується підвищеною частотою (1-4 кГц) та достатньо великою швидкістю наростання-спадання напруги (du/dt), що приводить до пошкоджень низькочастотних діодних модулів байпасного кола, а використання високочастотних діодних та тиристорних модулів, що мають низькі значення величин заряду Qrr та часу trr зворотного відновлення, приводить до підвищення вартості силового блока, та в цілому електроприводу. Також використання байпасного кола з чотирьох діодних та одного тиристорного модуля достатньо ускладнює конструкцію силового блока. Крім того, запропонований в [3] алгоритм включення байпасного кола при виникненні пошкодження в силовому блоці, заснований на одночасній подачі сигналів керування на відкриття байпасного тиристора та IGBT-модулів, що розташовані у суміжних плечах моста інвертора 63759 4 дефектного силового блока. Включення вищевказаних IGBT-модулів використовується для зниження падіння напруги, та відповідно втрат потужності у байпасному колі. Однак, якщо один з цих IGBT-модулів пошкоджений, даний алгоритм стає неможливим, а ефективність байпасування дефектного силового блока знижується. Крім того, недоліком даних високовольтних електроприводів [2, 3] є відсутність захисту від перенапруг, що можуть виникати при комутаціях або при дугових замиканнях в електричній мережі 3, 6, 10 кВ та спричинювати пошкодження силових напівпровідникових приладів. Вище вказане також визначає недостатню надійність даних високовольтних електроприводів. 1. Каталог продукції та застосувань електроприводів ТРІОЛ / X. - 2002 г.-с. 174, мал. 5.1. 6 2. Патент Росії № 2382480. МПКН02Р27/08; Н02Н7/085 Високовольтний регульований електропривод звинного струму / Заявник Анісімов А.В., Ляпідов К.С, Темірєв О.П., Фьодоров А.Е., Пжилуський А.А., Горобец А.В., Павлюков В.М.; Патентовласник Закрите акціонерне товариство «ІРІС». 2008112981/09; Заявл. 04.04.2008; Опубл. 20.02.2010, Бюл. № 5. 6 3. Патент Росії № 2289191. МПК Н02М5/453. Пристрій для керування перетворювачем частоти з багаторівневим інвертором напруги і спосіб керування таким перетворювачем / Заявник та патентовласник Смірнов Д.П., Львов М.Л., Бородін О.О. - 2005130603/09; Заявл. 04.10.2005; Опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34. Технічною задачею корисної моделі є створення частотно-регульованого високовольтного електроприводу, у якому значно підвищується надійність його роботи, а також зменшення вартості та спрощення конструкції силових блоків «випрямляч-інвертор». Поставлена задача вирішується тим, що пропонований частотно-регульований високовольтний електропривод містить багатообмотковий трансформатор, первинна обмотка якого підключена до мережі високої напруги, а вторинні обмотки живлять силові блоки «випрямляч-інвертор», кожен з яких містить вхідні запобіжники, перші виводи яких утворюють вхідні виводи силового блока, некерований мостовий випрямляч, що виконаний на діодних модулях, ємнісну ланку, та однофазний мостовий інвертор, що виконаний на IGBT-модулях зі зворотними діодами. Силові блоки своїми вихідними виводами в кожній фазі з'єднуються послідовно таким чином. Перші виводи перших з послідовно з'єднаних силових блоків «випрямлячінвертор» різнойменних фаз з'єднуються у загальну точку. В кожній фазі другі вихідні виводи попередніх силових блоків з'єднано з першими вихідними виводами наступних силових блоків, причому другі виводи останніх з послідовно з'єднаних силових блоків «випрямляч-інвертор» різнойменних фаз з'єднано з відповідними вхідними виводами високовольтного електродвигуна. Керування силовими блоками виконується блоком керування. Крім того, згідно з корисною моделлю кожний силовий блок містить байпасне коло, що включено між його першим та другим вихідними виводами, 5 причому байпасне коло виконано на базі зустрічно-послідовного з'єднання двох IGBT-модулів зі зворотними діодами. Крім того, згідно з корисною моделлю кожний силовий блок містить три нелінійні обмежувачі перенапруг, які включено між другими виводами запобіжників різнойменних фаз. Технічний результат застосування корисної моделі полягає у тому, що завдяки виконанню байпасного кола кожного силового блока на базі зустрічно-послідовного з'єднання IGBT-модулів зі зворотними діодами, що визначаються високими швидкостями перемикання, надійність функціонування байпасного кола зростає, що підтверджено практичними дослідженнями. На відміну від схеми байпасного кола, виконаного на базі чотирьох діодних та одного тиристорного модуля, запропонована схема на базі зустрічно-послідовного з'єднання двох IGBT-модулів зі зворотними діодами дозволяє спростити компонування напівпровідникових приладів у силовому блоці, особливо спрощується їх струмопровідна система. Крім того, вартість двох IGBT-модулів зі зворотними діодами нижче, ніж вартість чотирьох діодних та одного тиристорного модуля, таким чином загальна вартість силового блока та вартість в цілому електроприводу знижується. Крім цього, технічний результат застосування корисної моделі полягає у тому, що завдяки введенню у кожний силовий блок нелінійних обмежувачів перенапруг, що включено між другими виводами вхідних запобіжників різнойменних фаз, забезпечується захист силових блоків від перенапруг, при цьому надійність електроприводу збільшується. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями: фіг. 1 - функціональна схема високовольтного перетворювача частоти; фіг. 2 - функціональна схема одного з силових блоків «випрямляч-інвертор». На схемі фіг. 1: 1 - високовольтний багатообмотковий трансформатор з первинною 2, та вторинними обмотками 3-11; 12-20 - силові блоки «випрямляч - інвертор»; 21 - блок керування; 22 трифазний високовольтний електродвигун. На схемі фіг. 2: 23-25 - вхідні запобіжники, 2628 - нелінійні обмежувачі перенапруг, 29-34 - діодні модулі некерованого трифазного випрямляча; 35 - ємнісна ланка; 36-39 - IGBT-модулі зі зворотними діодами однофазного мостового інвертора; 40, 41- IGBT-модулі та зворотні діоди байпасного кола. Частотно-регульований високовольтний електропривод містить високовольтний багатообмотковий трансформатор 1 з первинною обмоткою 2 та з вторинними обмотками 3-11, що з'єднані за схемою «трикутник-авто», для забезпечення фазового зсуву трансформованої напруги, силові блоки «випрямляч-інвертор» 12-20, які вхідними виводами А, В, С підключені відповідних виводів вторинних обмоток 3-11 трансформатора 1, а вихідними виводами з'єднуються послідовно таким чином. Послідовне з'єднання силових блоків 12, 15, 18 утворює першу фазу живлення високоволь 63759 6 тного електродвигуна 22, послідовне з'єднання силових блоків 13, 16, 19 утворює другу фазу живлення високовольтного електродвигуна 22, послідовне з'єднання силових блоків 14, 17, 20 утворює третю фазу живлення високовольтного електродвигуна 22. Перші вихідні виводи (L1) силових блоків 12, 13, 14 з'єднуються у загальну точку. Другі вихідні виводи (L2) силових блоків 18, 19, 20 з'єднано з відповідними вхідними виводами високовольтного електродвигуна 22. Причому, змінюючи кількість послідовно з'єднаних однотипних силових блоків «випрямлячінвертор» можна забезпечити різний рівень вихідної напруги електроприводу. Так, наприклад, при вихідній напрузі силового блока 690 В для забезпечення номінальної лінійної вихідної напруги 3 кВ електропривод повинен містити по 3 силових блоки «випрямляч-інвертор» в кожній фазі. Для забезпечення номінальної вихідної лінійної напруги 6, 10 кВ в кожній фазі електроприводу повинно знаходитись відповідно 6 та 9 силових блоків «випрямляч-інвертор». Керування силовими блоками «випрямлячінвертор» виконується блоком керування 21, що з'єднується з кожним силовим блоком інформаційним каналом, наприклад, оптоволоконним кабелем. Відповідно до фіг. 2 кожний силовий блок «випрямляч-інвертор» містить послідовно з'єднані некерований трифазний мостовий випрямляч, що виконаний на шести діодних модулях 29-34, ємнісну ланку 35 та однофазний автономний інвертор напруги, що виконаний на чотирьох IGBT-модулях зі зворотними діодами 36-39, запобіжники 23-25, що своїми першими виводами підключені до вхідних виводів А, В, С силового блока. Нелінійний обмежувач перенапруг 26 включено між другими виводами запобіжників 23 та 24, нелінійний обмежувач перенапруг 27 включено між другими виводами запобіжників 24 та 25, нелінійний обмежувач перенапруг 28 включено між другими виводами запобіжників 23 та 25. З'єднувальні точки IGBT-модулів 36, 38 інвертора та IGBT-модулів 37, 39 утворюють відповідно перший та другий вихідні виводи кожного силового блока, між якими включено байпасне коло, що виконано на базі двох зустрічно-послідовно з'єднаних IGBT-модулів зі зворотними діодами 40, 41. Частотно-регульований високовольтний електропривід працює таким чином. Після подачі живлячої напруги 3, 6 або 10 кВ на первинну обмотку 2 трансформатора 1, на вторинних його обмотках 3-11 з'являється знижена напруга, що може дорівнювати, наприклад 660 В, яка подається на вхідні виводи А, В, С відповідних силових блоків «випрямляч-інвертор» 12-20. За допомогою діодних модулів некерованого трифазного випрямляча 29-34 ця напруга випрямляється та подається на ємнісну ланку 35. За допомогою IGBT-модулів 36-39 мостового однофазного автономного інвертора напруги, керування яким забезпечує блок керування 21, випрямлена напруга перетворюється у змінну напругу заданої частоти. Так як силові блоки 12, 15, 18 першої фази та силові блоки 13, 16, 19 другої фази, та силові блоки 7 14, 17, 20 третьої фази включені послідовно, їх вихідна напруга підсумовується у високовольтну регульовану напругу, яка подається на електродвигун 22. Блок керування 21 реалізує багаторівневе широтно-імпульсне керування однофазними мостовими інверторами силових блоків 12-20 та їх байпасними модулями 40, 41. Блок керування 21 здійснює формування керувальних команд, що реалізують плавний пуск, регулювання швидкості обертання, й моменту на валу високовольтного електродвигуна та інші необхідні функції. Також блок керування 21 контролює силові блоки 12-20 за наступними параметрами: - температура IGВТ-модулів 36-39; - температура діодних модулів 29-34; - значення вихідної напруги; - значення випрямленої напруги; - стан байпасних IGВТ-модулів 40, 41. У нормальному режимі роботи електроприводу IGВТ-модулі байпасного кола відключені. При виході будь-якого з контролюючих параметрів того чи іншого силового блока за встановлені границі, блок керування 21 фіксує відповідну несправність та дає команду на відключення IGВТ-модулів 3639 інвертора дефектного силового блока, та включення IGВТ-модулів 40, 41. Таким чином після відключення IGВТ-модулів 36-39 інвертора, та включення IGВТ-модулів 40, 41 силовий блок виводиться з роботи, а струм навантаження високовольтного електродвигуна проходить через байпасні IGВТ-модулі 40, 41 дефектного силового 63759 8 блока. Далі для забезпечення симетричної фазної напруги блок керування 21 подає команди на відключення IGВТ-модулів 36-39 інвертора, та включення IGВТ-модулів 40, 41 у відповідних силових блоків других фаз. При виникненні перенапруг у вхідному колі силових блоків 19-20 напруга на обмежувачах 26-28 перевищує поріг спрацювання їх нелінійних елементів та їх опір зменшується, струм збільшується, а надлишок енергії розсіюється у нелінійній структурі обмежувачів. Як тільки через обмежувач перенапруг починає текти струм, що перевищує номінальний струм силового блока, топкі вставки запобіжників перегорають та коло аварійного силового блока розмикається, що зупиняє розвиток ушкодження. Крім того, завдяки тому, що обмежувачі перенапруг 26-28 встановлено на між вхідними запобіжниками 23-25 й діодним мостом 29-34, по перегорянню запобіжників можна здійснювати контроль кількості спрацювань нелінійних обмежувачів перенапруг, й таким чином контролювати їхній ресурс. Таким чином, введення нелінійних обмежувачів перенапруг забезпечує захист силових блоків від перенапруг, що суттєво підвищує надійність роботи електроприводу в цілому. Можливість здійснення та промислова придатність корисної моделі визначається тим, що запропонований частотно-регульований високовольтний електропривод може бути виготовлений відповідно до наведеного опису та схем. 9 63759 10 11 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 63759 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601
ДивитисяДодаткова інформація
Назва патенту англійськоюFrequency-controlled hich-voltage electric drive
Автори англійськоюKukharev Oleksii Leonidovych, Seliukov Ihor Ivanovych
Назва патенту російськоюЧастотно-регулируемый высоковольтный электропривод
Автори російськоюКухарев Алексей Леонидович, Селюков Игорь Иванович
МПК / Мітки
Мітки: високовольтний, електропривод, частотно-регульований
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/6-63759-chastotno-regulovanijj-visokovoltnijj-elektroprivod.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Частотно-регульований високовольтний електропривод</a>
Попередній патент: Електрохірургічний інструмент для біполярного високочастотного зварювання оболонок живих органів в урологічній та гінекологічній практиці
Наступний патент: Змішувач відцентровий
Випадковий патент: Спосіб дренування запальних процесів верхнього середостіння