RU107422U1

RU107422U1 - HIGH-VOLTAGE MULTI-LEVEL FREQUENCY CONVERTER CELL

Info

Publication number: RU107422U1
Application number: RU2011115847/07U
Authority: RU
Inventors: Игорь Иванович Селюков; Андрей Владимирович Шатерный; Алексей Леонидович Кухарев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Триол-Нефть"
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2011-08-10

Abstract

Ячейка высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты, содержащая неуправляемый мостовой выпрямитель, выполненный на шести диодах, к выходу которого подключена буферная цепь, состоящая из емкости, и однофазный инвертор в виде управляемого моста, выполненный на четырех IGBT транзисторах и четырех включенных встречно-параллельно этим транзисторам диодов, а также байпасную цепь, подключенную между выходными выводами управляемого моста, которая выполнена на базе встречно-последовательного соединения двух IGBT-транзисторов и двух включенных встречно-параллельно этим транзисторам диодах, отличающаяся тем, что эмиттеры двух IGBT-транзисторов байпасной цепи соединены между собой, а коллекторы обоих IGBT-транзисторов байпасной цепи подключены к выводам управляемого моста, а к входам неуправляемого мостового выпрямителя через предохранители подключена трехфазная сеть питающего трансформатора. A cell of a high-voltage multilevel frequency converter, containing an uncontrolled bridge rectifier made on six diodes, to the output of which is connected a buffer circuit consisting of a capacitance, and a single-phase inverter in the form of a controlled bridge made on four IGBT transistors and four diodes connected in parallel to these transistors, as well as a bypass circuit connected between the output terminals of the controlled bridge, which is based on the on-off connection of two IGBT transistors and two diodes connected in parallel to these transistors, characterized in that the emitters of the two bypass IGBTs are connected to each other, and the collectors of both bypass IGBTs are connected to the terminals of the controlled bridge, and a three-phase supply transformer is connected to the inputs of the uncontrolled bridge rectifier through fuses .

Description

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в высоковольтных многоуровневых преобразователях частоты, применяемых в частотно-регулируемых приводах с электродвигателями и в различных источниках электропитания.The utility model relates to electrical engineering and can be used in high-voltage multilevel frequency converters used in variable frequency drives with electric motors and in various power sources.

Каждая ячейка высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты (далее ячейка) представляет собой независимый источник переменного управляемого напряжения с возможностью работы с ШИМ. Ячейки соединяются последовательно в звенья, формируя фазу выходного напряжения.Each cell of a high-voltage multilevel frequency converter (hereinafter cell) is an independent source of variable controlled voltage with the possibility of working with PWM. The cells are connected in series to the links, forming the phase of the output voltage.

Известно устройство для управления преобразователем частоты с многоуровневым инвертором напряжения, патент на полезную модель РФ №52283, Н02М 7/515 опубл. 10.03.2006,A device for controlling a frequency converter with a multi-level voltage inverter is known, a patent for a utility model of the Russian Federation No. 52283, H02M 7/515 publ. 03/10/2006,

Ячейка инвертирования представляет собой элементарный преобразователь частоты, имеющим в своем составе выпрямитель и инвертор, а также байпасный вентильный мост, выполненный на четырех диодах, одна клемма входа которого подключена к точке последовательного соединения первого и третьего транзистора управляемого моста, другая - к точке последовательного соединения второго и четвертого транзисторов управляемого моста, а к выходным клеммам байпасного вентильного моста подключен управляемый тиристор, управляющий вход, которого подведен к информационному оптоволоконному разъему через блок согласования, с которым связаны также затворы транзисторов.The invert cell is an elementary frequency converter, incorporating a rectifier and an inverter, as well as a bypass valve bridge made on four diodes, one input terminal of which is connected to the serial connection point of the first and third transistors of the controlled bridge, the other to the serial connection point of the second and the fourth transistors of the controlled bridge, and a controlled thyristor is connected to the output terminals of the bypass valve bridge, the control input of which is connected to the information fiber optic connector through the matching unit, with which the transistor gates are also connected.

Основной недостаток предложенной схемы байпасной цепи, на базе полупроводниковых приборов - четырех диодных и одного тиристорного модуля - это сложность монтажа ячейки, что усложняет и токопроводящую систему. В патенте предложен алгоритм включения байпасной цепи дефектной силовой ячейки, основанный на одновременной подаче сигналов управления на открытие байпасного тиристора и открытие IGBT-транзисторов, расположенных в смежных плечах мостового инвертора напряжения ячейки. Включение вышеуказанных IGBT-транзисторов производится для снижения напряжения и соответственно потерь мощности в байпасной цепи. Однако если один из этих IGBT-транзисторов поврежден, осуществление данного алгоритма становится невозможным, надежность и эффективность байпасирования дефектного силового блока снижается, за счет увеличения потерь в байпасной цепи.The main drawback of the proposed bypass circuit, based on semiconductor devices - four diode and one thyristor module - is the complexity of mounting the cell, which complicates the conductive system. The patent proposes an algorithm for turning on the bypass circuit of a defective power cell, based on the simultaneous supply of control signals for opening the bypass thyristor and opening IGBT transistors located on adjacent shoulders of the bridge voltage inverter of the cell. The inclusion of the above IGBT transistors is performed to reduce the voltage and, accordingly, the power loss in the bypass circuit. However, if one of these IGBTs is damaged, the implementation of this algorithm becomes impossible, the reliability and efficiency of bypassing the defective power unit is reduced, due to the increase in losses in the bypass circuit.

Известен, принятый за прототип, многофазный источник питания с многоуровневым подключением ячеек и байпасом поврежденной ячейки, патент US №5986909, опубл 21 мая 1998 г., МПК Н02М 5/458. Высокий уровень напряжения поддержан в источниках питания, состоящих из множества ячеек каждый, содержащих выпрямитель и инвертор. Дефектные ячейки в любом звене байпасируются, чтобы обеспечить путь тока через соответствующее звено. Все дефектные ячейки используются, для поддерживания равной величины между фазами и отношениями фаз в выходном напряжении от линии к линии. Изобретение может использоваться вместе со схемой подавления пикового напряжения, и выключателем байпаса. В патенте одна из предложенных схем байпасной цепи, выполнена на базе последовательно соединенных IGBT-транзисторов, причем соединение IGBT-транзисторов между собой осуществляется на коллекторах, а их эмиттеры подключены к выводам мостового инвертора напряжения ячейки.Known adopted for the prototype, a multiphase power source with multi-level connection of cells and bypass of the damaged cell, US patent No. 5986909, published May 21, 1998, IPC Н02М 5/458. A high voltage level is maintained in power supplies consisting of a plurality of cells each containing a rectifier and an inverter. Defective cells in any link are bypassed to provide a current path through the corresponding link. All defective cells are used to maintain an equal value between the phases and the phase relations in the output voltage from line to line. The invention can be used in conjunction with a peak voltage suppression circuit, and a bypass switch. In the patent, one of the proposed bypass circuits is based on series-connected IGBTs, and the IGBTs are connected to each other on collectors, and their emitters are connected to the terminals of the bridge voltage inverter of the cell.

Недостатком данной схемы является сложность системы управления IGBT-транзисторами за счет необходимости построения двух гальванически развязанных каналов управления на каждый IGBT-транзистор байпасной цепи.The disadvantage of this scheme is the complexity of the control system of IGBT transistors due to the need to build two galvanically isolated control channels for each IGBT transistor of the bypass circuit.

Техническим результатом от использования полезной модели является упрощение конструкции ячейки, повышение надежности, уменьшение стоимости и снижение потерь.The technical result of using the utility model is to simplify the design of the cell, increase reliability, reduce cost and reduce losses.

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет того, что ячейка высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты содержащая неуправляемый мостовой выпрямитель, выполненный на шести диодах, к выходу которого подключена буферная цепь, состоящая из емкости, и однофазный инвертор, в виде управляемого моста, выполненный на четырех IGBT транзисторах и четырех, включенных встречно-параллельно этим транзисторам, диодов, а также байпасную цепь, подключенную между выходными выводами управляемого моста, которая выполнена на базе встречно-последовательного соединения двух IGBT-транзисторов и двух включенных встречно-параллельно этим транзисторам, диодах, причем эмиттеры двух IGBT-транзисторов байпасной цепи соединены между собой, а коллекторы обоих IGBT-транзисторов байпасной цепи подключены к выводам управляемого моста, а к входам неуправляемого мостового выпрямителя через предохранители подключена трехфазная сеть питающего трансформатора,This technical result is achieved due to the fact that the cell of the high-voltage multilevel frequency converter contains an uncontrolled bridge rectifier, made on six diodes, the output of which is connected to a buffer circuit consisting of a capacitance, and a single-phase inverter, in the form of a controlled bridge, made on four IGBT transistors and four connected in parallel to these transistors, diodes, as well as a bypass circuit connected between the output terminals of the controlled bridge, which based on the in-series connection of two IGBTs and two parallel-connected transistors, diodes, the emitters of two IGBTs of the bypass circuit connected to each other, and the collectors of both IGBTs of the bypass circuit connected to the terminals of the controlled bridge, and to the inputs of an uncontrolled bridge rectifier through fuses connected to a three-phase network of the supply transformer,

Встречно-последовательное соединение IGBT-транзисторов с обратными диодами характеризуются высокими скоростями переключения и стойкостью к характеристикам входного тока и напряжения di/dt и du/dt, поэтому надежность функционирования байпасной цепи увеличивается, что соответственно приводит к увеличению надежности многоуровневого преобразователя частоты в целом.The in-series connection of IGBT transistors with reverse diodes is characterized by high switching speeds and resistance to the characteristics of the input current and voltage di / dt and du / dt, therefore the reliability of the bypass circuit increases, which accordingly leads to an increase in the reliability of the multilevel frequency converter as a whole.

В предложенной схеме байпасный режим ячейки осуществляется только открытием IGBT-транзисторов байпасной цепи, причем IGBT-транзисторы мостового инвертора напряжения дефектного силового блока закрываются. Таким образом, байпасирование ячейки произойдет даже если все IGBT-транзисторы мостового инвертора напряжения ячейки будут повреждены, при этом надежность высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты увеличивается.In the proposed scheme, the bypass mode of the cell is carried out only by opening the IGBT transistors of the bypass circuit, and the IGBT transistors of the bridge voltage inverter of the defective power unit are closed. Thus, bypassing the cell will occur even if all the IGBT transistors of the bridge voltage inverter of the cell are damaged, while the reliability of the high-voltage multilevel frequency converter increases.

В предложенной схеме полезной модели эмиттеры IGBT-транзисторов байпасной цепи объединены и находятся под одним потенциалом, отсутствует необходимость гальванической развязки между каналами управления этих IGBT-транзисторов. Это позволяет значительно упросить схему управления, снизить количество электронных элементов (на 30%) и тем самым упростить конструкцию ячейки, снизить потери и повысить надежность функционирования байпасной цепи ячейки. Компактность ячейки позволяет сократить стоимость всего преобразователя, а также значительно уменьшить занимаемую площадь и массу.In the proposed utility model, the emitters of the bypass circuit IGBTs are combined and under the same potential, there is no need for galvanic isolation between the control channels of these IGBTs. This allows you to significantly simplify the control circuit, reduce the number of electronic elements (by 30%) and thereby simplify the design of the cell, reduce losses and increase the reliability of the bypass circuit of the cell. The compactness of the cell allows you to reduce the cost of the entire Converter, as well as significantly reduce the occupied area and weight.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на Фиг. приведена электрическая схема ячейки высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты, которая содержит предохранители 1-3, включенными в цепи между входами ячейки А, В, С и входами неуправляемого мостового выпрямителя, выполненного на шести диодных модулях 4-9, к выходу которого подключена буферная цепь, состоящая из емкости 10 и однофазный инвертор в виде управляемого моста, выполненный на четырех IGBT-модулях с обратными диодами 11-14, между выходными выводами управляемого моста L1-L2 включена байпасная цепь, которая выполнена на базе двух встречно-последовательно соединенных IGBT-транзисторов с обратными диодами 15, 16, при этом эмиттеры двух IGBT-транзисторов байпасной цепи 15, 16 соединены между собой, а их коллекторы подключены к выходным выводам управляемого моста.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, in FIG. the circuit diagram of a cell of a high-voltage multilevel frequency converter is shown, which contains fuses 1-3 connected in the circuit between the inputs of the cells A, B, C and the inputs of an uncontrolled bridge rectifier, made on six diode modules 4-9, to the output of which a buffer circuit is connected, consisting of from the tank 10 and a single-phase inverter in the form of a controlled bridge, made on four IGBT modules with reverse diodes 11-14, a bypass circuit is connected between the output terminals of the controlled bridge L1-L2, which is based on Vuh counter-series connected IGBT-transistor with inverse diodes 15, 16, the emitter bypass circuit two IGBT-transistors 15, 16 are connected together, and their collectors are connected to output terminals of the steering axle.

Пример работы ячейки реализует указанное назначение следующим образом.An example cell operation implements the specified purpose as follows.

После подачи переменного питающего трехфазного напряжения на входные выводы А, В, С ячейки с помощью диодов неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя 4-9 это напряжение выпрямляется и подается на емкостное звено 10, которое с помощью IGBT-транзисторов 11-14 мостового инвертора, преобразуется в переменное напряжение с ШИМ заданной частоты на выходах L1-L2.After applying an alternating three-phase supply voltage to the input terminals A, B, C of the cell with the help of diodes of an uncontrolled three-phase bridge rectifier 4-9, this voltage is rectified and applied to the capacitive link 10, which, using IGBT transistors 11-14 of the bridge inverter, is converted into alternating voltage with PWM of a given frequency at the outputs L1-L2.

В нормальном режиме работы IGBT-транзисторы 15, 16 байпасной цепи отключены. При возникновении неисправностей элементов ячейки, снижение выходного напряжения инвертора, перегрузки или других нештатных ситуаций, система управления фиксирует соответствующую неисправность и дает команду на отключение IGBT-транзисторов 11-14 инвертора и включение IGBT-транзисторов 15, 16 байпасной цепи, подачей управляющего сигнала по единой управляющей цепи на обединенные эмиттеры (на схеме не показана). После отключения IGBT-транзисторов 11-14 инвертора ячейка выводится из работы. Для поддержания напряжения на защищаемой нагрузке нагрузку переключают на обводную линию байпасной цепи, включением IGBT-транзисторов 15, 16 для питания непосредственно от сети. Для бесперебойной работы ток нагрузки многоуровневого преобразователя проходит через байпасные IGBT-транзисторы 15, 16, обеспечивая при этом непрерывную синусоиду выходного напряжения.In normal operation, the IGBTs 15, 16 of the bypass circuit are disabled. In the event of malfunctions of the cell elements, a decrease in the output voltage of the inverter, overload, or other emergency situations, the control system fixes the corresponding malfunction and gives a command to turn off the IGBT transistors 11-14 of the inverter and turn on the IGBT transistors 15, 16 of the bypass circuit, by supplying a control signal in a single a control circuit to interconnected emitters (not shown in the diagram). After turning off the IGBT transistors 11-14 of the inverter, the cell is taken out of operation. To maintain voltage on the protected load, the load is switched to the bypass circuit by turning on the IGBT transistors 15, 16 for power supply directly from the network. For uninterrupted operation, the load current of the multilevel converter passes through the bypass IGBT transistors 15, 16, while providing a continuous sine wave of the output voltage.

Таким образом, пример возможности осуществления заявляемой полезной модели, реализованный в соответствии с приведенным описанием и электрической схемой с байпасной цепью на основе IGBT-транзисторов, эмиттеры которых объединены и находятся под одним потенциалом, представляет собой надежное устройство ячейки высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты. За счет сокращения контактных соединений и применения модульных конструкций электронных элементов IGBT-транзисторов в байпасной цепи сокращаются потери напряжения и мощности при работе устройства в байпасном режиме, упрощается конструкция и экономится пространство в шкафу за счет значительного упрощения схемы управления и снижения количества электронных элементов гальванической развязки. Экономия массогабаритных показателей ячейки достигает 10%, а стоимость снижается на 31,5%.Thus, an example of the possibility of implementing the claimed utility model, implemented in accordance with the above description and an electric circuit with a bypass circuit based on IGBT transistors, the emitters of which are combined and are at the same potential, is a reliable cell device of a high-voltage multilevel frequency converter. By reducing contact connections and using modular designs of electronic elements of IGBT-transistors in the bypass circuit, voltage and power losses are reduced when the device operates in bypass mode, the design is simplified and space in the cabinet is saved due to a significant simplification of the control circuit and reduction in the number of electronic isolation elements. Saving mass and size indicators of the cell reaches 10%, and the cost is reduced by 31.5%.

Claims

A cell of a high-voltage multilevel frequency converter, containing an uncontrolled bridge rectifier made on six diodes, to the output of which is connected a buffer circuit consisting of a capacitance, and a single-phase inverter in the form of a controlled bridge made on four IGBT transistors and four diodes connected in parallel to these transistors, as well as a bypass circuit connected between the output terminals of the controlled bridge, which is based on the on-off connection of two IGBT transistors and two diodes connected in parallel to these transistors, characterized in that the emitters of the two bypass IGBTs are connected to each other, and the collectors of both bypass IGBTs are connected to the terminals of the controlled bridge, and a three-phase supply transformer is connected to the inputs of the uncontrolled bridge rectifier through fuses .