RU148288U1 - Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями - Google Patents
Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями Download PDFInfo
- Publication number
- RU148288U1 RU148288U1 RU2014129958/07U RU2014129958U RU148288U1 RU 148288 U1 RU148288 U1 RU 148288U1 RU 2014129958/07 U RU2014129958/07 U RU 2014129958/07U RU 2014129958 U RU2014129958 U RU 2014129958U RU 148288 U1 RU148288 U1 RU 148288U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- frequency converters
- frequency
- control unit
- power
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями, содержащий первый, второй и третий фазосдвигающие силовые трансформаторы, первичные трехфазные обмотки которых соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20,0° и -20° и подключены к общему источнику питания, а их вторичные трехфазные обмотки подключены соответственно к первому, второму и третьему преобразователям частоты, каждый из которых состоит из трехуровневого активного выпрямителя, звена постоянного тока с нулевой точкой, трехуровневого инвертора напряжения и дросселя, при этом одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока, отличающийся тем, что он снабжен датчиком напряжения источника питания, блоком управления, блоком коррекции углов переключения и по количеству преобразователей частоты снабжен датчиками переменного тока и датчиками напряжения звена постоянного тока, при этом первый вход блока управления подключен к источнику питания через датчик напряжения источника питания, его второй, третий и четвертый входы подключены к датчикам переменного тока, установленным в цепях питания соответственно первого, второго и третьего преобразователей частоты, а пятый, шестой и седьмой входы блока управления подключены к датчикам напряжения звена постоянного тока, установленным в цепях питания трехуровневого инвертора напряжения соответственно первого, второго и третьего преобразователей частоты, выход указанного блока управления подключен к входу блока коррекции углов переключения, первый, второй и третий выходы которого подклю�
Description
Полезная модель относится к области силовой преобразовательной технике и может быть использована для питания асинхронных и синхронных электродвигателей напряжением 6,3 и 10 кВ и мощностью 0,5-15 МВт с широтно-импульсной модуляцией.
Известен многоуровневый преобразователь частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей, содержащий силовой трансформатор, выходной фильтр, главный блок управления, инверторно-рекуперационные модули, каждый из которых состоит из силовых транзисторов со встроенными обратными диодами, образующих два однофазных моста, соединенных параллельно по цепи постоянного тока через датчик тока, причем к цепи постоянного тока первого моста подключена батарея конденсаторов, а цепь переменного тока первого моста подключена к одной из вторичных обмоток силового трансформатора через датчик тока и ключ, состоящий из двух тиристоров, соединенных встречно-параллельно, а цепь переменного тока второго моста, являющаяся выходом модуля, включена последовательно с выходами других модулей таким образом, что образуются три группы, соединенные в звезду, к выходу которых подключен выходной фильтр через датчик тока, причем каждый модуль содержит местный блок управления, служащий для формирования импульсов управления силовыми транзисторами в соответствии с текущими параметрами и сигналами управления, поступающими по оптическому каналу с главного блока управления (см. патент РФ №2303851, H02M 7/539).
Недостатком известного устройство является его низкий коэффициент полезного действия. Это обусловлено потерями мощности в силовом трансформаторе от действий низкочастотных гармоник тока в результате применения однофазной схемы выпрямления в инверторно-рекуперационных модулях, а также коммутационными потерями мощности в силовых ключах указанных моделей в результате применения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с высокой несущей частотой модуляцией.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями, содержащий первый, второй и третий фазосдвигающие силовые трансформаторы, первичные трехфазные обмотки которых соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20, 0 и -20 градусов и подключены к общему источнику питания, а их вторичные трехфазные обмотки подключены соответственно к первому, второму и третьему преобразователям частоты, каждый из которых состоит из трехуровневого активного выпрямителя, звена постоянного тока с нулевой точкой, трехуровневого инвертора напряжения и дросселя, при этом одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока. Указанный преобразователь частоты используется для современных электроприводов прокатных станов, выполненных на базе мощных синхронных двигателей (см. статью Т.Р. Храмшин, Г.П. Корнилов, А.А. Николаев и др. Исследование воздействия активных выпрямителей большой мощности на питающую сеть // Вестник ИГЭУ. Вып. 1 / 2013. С. 80-83.).
Недостатком известного устройства является его низкий коэффициент полезного действия. Это обусловлено потерями мощности в силовых трансформаторах от действий относительно низкочастотных гармоник тока в результате применения ШИМ с низкой несущей частотой модуляцией.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышение коэффициента полезного действия высоковольтного преобразователя частоты большой мощности с активными выпрямителями за счет снижения потерь мощности в фазосдвигающих силовых трансформаторах.
Технический результат полезной модели заключается в создании условий обеспечивающих уменьшение уровня высших гармоник входных токов активных выпрямителей при одновременном поддержании первой гармоники напряжения на уровне, задаваемом коэффициентом модуляции.
Поставленная задача решается тем, что высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями, содержащий первый, второй и третий фазосдвигающие силовые трансформаторы, первичные трехфазные обмотки которых соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20, 0 и -20 градусов и подключены к общему источнику питания, а их вторичные трехфазные обмотки подключены соответственно к первому, второму и третьему преобразователям частоты, каждый из которых состоит из трехуровневого активного выпрямителя, звена постоянного тока с нулевой точкой, трехуровневого инвертора напряжения и дросселя, при этом одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока, согласно изменению, снабжен датчиком напряжения источника питания, блоком управления, блоком коррекции углов переключения и по количеству преобразователей частоты снабжен датчиками переменного тока и датчиками напряжения звена постоянного тока, при этом первый вход блока управления подключен к источнику питания через датчик напряжения источника питания, его второй, третий и четвертый входы подключены к датчикам переменного тока, установленным в цепях питания соответственно первого, второго и третьего преобразователей частоты, а пятый, шестой и седьмой входы блока управления подключены к датчикам напряжения звена постоянного тока, установленным в цепях питания трехуровневого инвертора напряжения соответственно первого, второго и третьего преобразователей частоты, выход указанного блока управления подключен к входу блока коррекции углов переключения, первый, второй и третий выходы которого подключены к входам управления трехуровневых активных выпрямителей соответственно первого, второго и третьего преобразователей частоты.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображена функциональная схема высоковольтного преобразователя частоты большой мощности с активными выпрямителями;
- на фиг.2 приведена форма фазного напряжения на входе трехуровневого активного выпрямителя по отношению к нулевой точке в звене постоянного тока;
- на фиг.3 приведены зависимости углов переключения α1, α2, α3, α4, α5 от коэффициента модуляции µ для метода ШИМ, обеспечивающего заданное значение первой гармоники в напряжении трехуровневых активных выпрямителей, минимум высших гармоник в токе преобразователей частоты, достаточный запас по углу между углами переключения α1, α2, α3, α4, α5;
- на фиг.4 приведены зависимости амплитуд гармоник тока трехуровневого активного выпрямителя от коэффициента модуляции // по методу минимизации высших гармоник в токе отдельного преобразователя частоты.
Заявляемое устройство (фиг. 1) содержит первый 1, второй 2 и третий 3 фазосдвигающие силовые трансформаторы, первичные трехфазные обмотки которых соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20, 0 и -20 градусов и подключены к общему источнику питания 4. Их вторичные трехфазные обмотки подключены соответственно к первому 5, второму 6 и третьему 7 преобразователям частоты. Каждый преобразователь частоты состоит из трехуровневого активного выпрямителя 8, звена постоянного тока 9 с нулевой точкой, трехуровневого инвертора напряжения 10 и дросселя 11. При этом одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты 5, 6 и 7 соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока 12. Устройство дополнительно снабжено датчиком напряжения источника питания 13 (фиг. 1), блоком управления 14, блоком коррекции углов переключения 15 и по количеству преобразователей частоты снабжен датчиками переменного тока 16 и датчиками напряжения звена постоянного тока 17. При этом первый вход блока управления 14 подключен к источнику питания 4 через датчик напряжения источника питания 13, его второй, третий и четвертый входы подключены к датчикам переменного тока 16, установленным в цепях питания соответственно первого 5, второго 6 и третьего 7 преобразователей частоты. Пятый, шестой и седьмой входы блока управления 14 подключены к датчикам напряжения звена постоянного тока 17, установленным в цепях питания трехуровневого инвертора напряжения 10 соответственно первого 5, второго 6 и третьего 7 преобразователей частоты. Выход блока управления 14 подключен к входу блока коррекции углов переключения 15, первый, второй и третий выходы которого подключены к входам управления трехуровневых активных выпрямителей 8 соответственно первого 5, второго 6 и третьего 7 преобразователей частоты.
Конструктивное исполнение трехуровневых активных выпрямителей 8 и трехуровневых инверторов напряжения 10 идентичное, что позволяет обеспечить работу электропривода, как в двигательном, так и в генераторном режиме. Кроме того, преобразователи частоты 5, 6 и 7 являются многоуровневыми, что способствует улучшению формы выходного напряжения при относительно невысокой частоте коммутации.
Вторичные линейные напряжения фазосдвигающих силовых трансформаторов 1, 2 и 3 номинальные и равны между собой. При этом они обеспечивают в сетевом токе источника питания 4 присутствие гармоник, порядок которых определяется известным выражением 18n±1, где n=1, 2, 3, …. В трехуровневых активных выпрямителях 8 входной ток каждого преобразователя частоты содержит гармоники, ряд которых определяется выражением 6n±1, где n=1, 2, 3, ….
Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями работает следующим образом.
Мощный двигатель переменного тока 12 (фиг. 1) получает питание одновременно от трех преобразователей частоты 5, 6 и 7, которые совместно со своими фазосдвигающими силовыми трансформаторами соответственно 1, 2 и 3 образуют три параллельные ветви, подключенные по входу к общему источнику питания 4. Такое схемное решение устройства уменьшает токи указанных трансформаторов, токи силовых ключей трехуровневых активных выпрямителей 8 и токи трехуровневых инверторов напряжения 10, а, следовательно, снижаются потери мощности в высоковольтном преобразователе частоты.
Заявляемое устройство осуществляет метод минимизации высших гармоник в токе каждого преобразователя частоты. На фиг. 2 приведена форма фазного напряжения на входе трехуровневого активного выпрямителя 8, по отношению к нулевой точке в звене постоянного тока 9. Здесь α1, α2, α3, α4, α5 углы переключения, которые зависят от коэффициента модуляции µ для метода ШИМ, обеспечивающего заданное значение первой гармоники напряжения и снижение уровня нежелательных гармоник в токе. Приведенная на фиг. 2 форма фазного напряжения позволяет исключить любые четыре гармоники напряжения или снизить их уровень для текущего значения коэффициента модуляции µ.
Для расчета углов переключения α1, α2, α3, α4, α5 в заявляемом техническом решении задается целевая функция, в которой задают три условия: поддерживают первую гармонику напряжения на уровне, задаваемом коэффициентом модуляции µ; уменьшают уровни высших гармоник в токе до желаемого значения; обеспечивают достаточный запас по углу между углами переключения α1, α2, α3, α4, α5 (фиг. 2), что позволяет сохранить надежность управления силовыми ключами трехуровневого активного выпрямителя. Целевая функция имеет вид: E=k1·(U1-U1Z)2+k2·(Ih-IhZ)2, где U1 - амплитуда первой гармоники напряжения активного выпрямителя, U1Z - заданное значение первой гармоники напряжения активного выпрямителя, Ih - действующее значение тока высших гармоник, IhZ - заданное действующее значение тока высших гармоник, k1, k2 - весовые коэффициенты. Для того чтобы выполнились указанные условия, необходимо, чтобы целевая функция стремилась к нулю. Для нахождения минимального значения целевой функции используется метод градиентного спуска. В заявляемом устройстве были заранее рассчитаны и сохранены в блоке коррекции углов переключения 15 оптимальные значения углов переключения α1, α2, α3, α4, α5, удовлетворяющие ранее перечисленным трем условиям и обеспечивающие снижение потери мощности в фазосдвигающих силовых трансформаторах 1, 2 и 3.
На фиг. 3, для заявляемого устройства, приведены зависимости углов переключения α1, α2, α3, α4, α5 от коэффициента модуляции µ. Указанные углы обеспечивают заданное значение первой гармоники в напряжении трехуровневого активных выпрямителей 8, минимум высших гармоник в токе преобразователей частоты 5, 6 и 7 и достаточный запас по углу между углами переключения α1, α2, α3, α4, α5. При этом на входах трехуровневых активных выпрямителей 8 (фиг. 1) формируются пять импульсов на полупериод фазного напряжения, приведенных на фиг. 2. На фиг. 4, для заявляемого устройства, приведены зависимости амплитуд гармоник тока I5, I7, I11 и I13 трехуровневого активного выпрямителя 8 от коэффициента модуляции µ. Коммутационные потери на силовых ключах трехуровневого активного выпрямителя 8 остаются минимальными, так как частота коммутации низкая. Потери при этом мощности в фазосдвигающих силовых трансформаторах 1, 2 и 3 (фиг. 1) значительно снижаются, так как амплитудные значения I5, I7 и I13 гармоник тока (фиг. 4) существенно уменьшаются.
По сигналам с датчика напряжения источника питания 13 (фиг. 1), датчикам переменного тока 16 и датчикам напряжения звена постоянного тока 17 блок управления 14 формирует сигналы управления Uµ для блока коррекции углов переключения 15. Последний по ранее записанным в нем значениям углов переключения α1, α2, α3, α4, α5 формирует сигналы управления силовыми ключами трехуровневых активных выпрямителей. При этом на входе каждого указанного трехуровневого активного выпрямителя 8 формируется фазное напряжение (фиг. 2), которое удовлетворяет ранее указанным требованиям и обеспечивает снижение потерь в фазосдвигающих силовых трансформаторах 1, 2 и 3 (фиг. 1).
Таким образом, заявляемое устройство, обеспечивает минимизацию высших гармоник в токе преобразователей частоты, что позволяет повысить коэффициент полезного действия высоковольтного преобразователя частоты за счет снижения потерь мощности в фазосдвигающих силовых трансформаторах. Кроме того, выбор значений углов переключений α1, α2, α3, α4, α5 с учетом достаточного запаса по углу между ними обеспечивает надежность управления силовыми ключами трехуровневых активных выпрямителей, а, следовательно, заявляемого схемного решения в целом.
Claims (1)
- Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями, содержащий первый, второй и третий фазосдвигающие силовые трансформаторы, первичные трехфазные обмотки которых соединены в треугольники со сдвигом соответственно +20,0° и -20° и подключены к общему источнику питания, а их вторичные трехфазные обмотки подключены соответственно к первому, второму и третьему преобразователям частоты, каждый из которых состоит из трехуровневого активного выпрямителя, звена постоянного тока с нулевой точкой, трехуровневого инвертора напряжения и дросселя, при этом одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока, отличающийся тем, что он снабжен датчиком напряжения источника питания, блоком управления, блоком коррекции углов переключения и по количеству преобразователей частоты снабжен датчиками переменного тока и датчиками напряжения звена постоянного тока, при этом первый вход блока управления подключен к источнику питания через датчик напряжения источника питания, его второй, третий и четвертый входы подключены к датчикам переменного тока, установленным в цепях питания соответственно первого, второго и третьего преобразователей частоты, а пятый, шестой и седьмой входы блока управления подключены к датчикам напряжения звена постоянного тока, установленным в цепях питания трехуровневого инвертора напряжения соответственно первого, второго и третьего преобразователей частоты, выход указанного блока управления подключен к входу блока коррекции углов переключения, первый, второй и третий выходы которого подключены к входам управления трехуровневых активных выпрямителей соответственно первого, второго и третьего преобразователей частоты.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014129958/07U RU148288U1 (ru) | 2014-07-21 | 2014-07-21 | Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014129958/07U RU148288U1 (ru) | 2014-07-21 | 2014-07-21 | Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU148288U1 true RU148288U1 (ru) | 2014-11-27 |
Family
ID=53385384
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014129958/07U RU148288U1 (ru) | 2014-07-21 | 2014-07-21 | Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU148288U1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2682164C1 (ru) * | 2018-04-02 | 2019-03-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты |
-
2014
- 2014-07-21 RU RU2014129958/07U patent/RU148288U1/ru active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2682164C1 (ru) * | 2018-04-02 | 2019-03-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9893633B1 (en) | Modular multilevel DC-DC converter and associated method of use | |
Buticchi et al. | A nine-level grid-connected converter topology for single-phase transformerless PV systems | |
CN108352777B (zh) | 中压混合多电平变换器和用于控制中压混合多电平变换器的方法 | |
US10044278B2 (en) | Power conversion device | |
Kaarthik et al. | Medium-voltage drive for induction machine with multilevel dodecagonal voltage space vectors with symmetric triangles | |
US9252681B2 (en) | Power converter with a first string having controllable semiconductor switches and a second string having switching modules | |
Nagarajan et al. | Staircase multicarrier SPWM technique for nine level cascaded inverter | |
RU105091U1 (ru) | Высоковольтный преобразователь частоты | |
JP4735188B2 (ja) | 電力変換装置 | |
CN102545681B (zh) | 可消除低频谐波的阶梯波合成式三相逆变器及控制方法 | |
RU2629005C2 (ru) | Преобразовательный узел с параллельно включенными многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями, а также способ управления им | |
Bascopé et al. | Multi-state commutation cells to increase current capacity of multi-level inverters | |
RU157682U1 (ru) | Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями | |
Sujitha et al. | A new hybrid cascaded h-bridge multilevel inverter-performance analysis | |
Wei et al. | Natural sampling SVM-based common-mode voltage reduction in medium-voltage current source rectifier | |
Ulrich et al. | Floating capacitor voltage regulation in diode clamped hybrid multilevel converters | |
Mahendran et al. | Triangular multicarrier SPWM technique for nine level cascaded inverter | |
Teixeira et al. | Topologically reduced multilevel converters using complementary unidirectional phase-legs | |
RU148288U1 (ru) | Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями | |
US20200244184A1 (en) | Control of delta-connected converter | |
Moussa et al. | Design and control of a diode clamped multilevel wind energy system using a stand-alone AC-DC-AC converter | |
Marouchos et al. | A new switched capacitor inverter for stand alone photovoltaic applications | |
Palanivel et al. | Control of three phase cascaded multilevel inverter using various novel multicarrier pulse width modulation techniques | |
Singh et al. | Minimization of line current harmonics in multiple single-phase active fec fed mw railways propulsion system | |
Menzi et al. | Optimal Common-Mode Voltage Injection for Phase-Modular Three-Phase PFC Rectifiers Minimizing Energy Buffering Requirement |