RU2475930C1 - Device for protection of matrix cascade frequency converter - Google Patents
Device for protection of matrix cascade frequency converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2475930C1 RU2475930C1 RU2011125396/07A RU2011125396A RU2475930C1 RU 2475930 C1 RU2475930 C1 RU 2475930C1 RU 2011125396/07 A RU2011125396/07 A RU 2011125396/07A RU 2011125396 A RU2011125396 A RU 2011125396A RU 2475930 C1 RU2475930 C1 RU 2475930C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bridge circuits
- keys
- protection
- phase
- cascades
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Power Conversion In General (AREA)
- Ac-Ac Conversion (AREA)
Abstract
Description
1. Область техники.1. Field of technology.
Настоящее изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники, в частности к непосредственным преобразователям частоты (НПЧ) для регулирования высоковольтных электродвигателей переменного тока большой мощности.The present invention relates to the field of semiconductor converting technology, in particular to direct frequency converters (NFC) for regulating high-voltage AC electric motors of high power.
2. Уровень техники.2. The prior art.
Известно устройство управления 3-фазного двухзвенного НПЧ, построенного на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью с использованием программного метода высокочастотной адаптивной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), описанное, например, в [1; 2].A control device for a 3-phase two-link LPC based on fully controllable keys of IGBT modules with two-sided conductivity using the software method of high-frequency adaptive pulse-width modulation (PWM), described, for example, in [1; 2].
В указанном преобразователе частоты в качестве устройства компенсации реактивных (индуктивных) токов питающей сети при коммутации ключей на частоте ШИМ, в т.ч. в аварийных ситуациях при ошибках коммутации, используется способ подключения батареи конденсаторов к входным зажимам НПЧ. Такое решение задачи приводит к дополнительным потерям электроэнергии, т.е. к снижению кпд в нормальных режимах НПЧ, а также к увеличению массогабаритных показателей.In the specified frequency converter as a device for compensating reactive (inductive) currents of the supply network when switching keys at a PWM frequency, incl. in emergency situations with switching errors, the method of connecting a capacitor bank to the input terminals of the low frequency drive is used. Such a solution to the problem leads to additional energy losses, i.e. to a decrease in efficiency in normal NPP modes, as well as to an increase in overall dimensions.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству является способ и устройство защиты матричного однокаскадного НПЧ на управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью и высокочастотной ШИМ, описанное в [3] (прототип). В указанном НПЧ используется достаточно сложный алгоритмический способ защиты, который включает в себя стадию выявления ошибки коммутации, а затем реализацию самой защиты, требующей соответствующего программирования.Closest to the technical solution to the claimed device is a method and device for protecting a single-stage matrix low-frequency converter on the managed keys of IGBT modules with two-sided conductivity and high-frequency PWM, described in [3] (prototype). In this NPC, a rather complex algorithmic method of protection is used, which includes the stage of detecting a switching error, and then implementing the protection itself, which requires appropriate programming.
Однако такой способ защиты сам по себе подвержен воздействию ошибок и сбоям программирования. Кроме того, в устройстве защиты присутствует блок с компенсирующим конденсатором, который посредством 3-фазного выпрямителя подключен к входным зажимам и, следовательно, длительно находится под выпрямленным напряжением питающей сети, что приводит к снижению кпд в нормальных режимах работы НПЧ.However, this protection method is itself susceptible to errors and programming failures. In addition, in the protection device there is a unit with a compensating capacitor, which is connected to the input terminals by means of a 3-phase rectifier and, therefore, is continuously under the rectified voltage of the supply network, which leads to a decrease in the efficiency in normal operating conditions of the low frequency drive.
3. Краткое описание чертежей.3. A brief description of the drawings.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображена блок-схема известного матричного 4-каскадного преобразователя частоты (МКПЧ) с высокочастотной синусоидальной ШИМ [4] и предлагаемого устройства его защиты.The invention is illustrated in the drawing (figure 1), which shows a block diagram of a known matrix 4-stage frequency converter (MFC) with a high-frequency sinusoidal PWM [4] and the proposed device for its protection.
В представленной блок-схеме фиг.1 используются следующие обозначения:In the presented block diagram of figure 1, the following notation is used:
1 - силовая часть МКПЧ; 2 - микропроцессорная система управления (СУ); 3 - волоконно-оптическая линия связи; 4 - каскад (матрица) МКПЧ; 5 - вакуумный контактор; 6 - потенциально развязанные источники питания (вторичные обмотки трансформатора); 7 - блок устройства защиты; 8 - сумматор; 9 - плата преобразователя оптического; 10 - плата преобразователя опто-сигналов; 11 - плата обратного преобразования оптосигналов; 12 - устройство управления контакторов; Usa, Usb, Usc - напряжения питающей сети.1 - power unit 2 - microprocessor control system (SU); 3 - fiber optic communication line; 4 - cascade (matrix) of the IED; 5 - vacuum contactor; 6 - potentially isolated power sources (secondary windings of the transformer); 7 - block protection device; 8 - adder; 9 - optical converter board; 10 - opto-signal converter board; 11 - board reverse conversion of optical signals; 12 - contactor control device; U sa , U sb , U sc - supply voltage.
Каждый каскад (матрица) рассматриваемого МКПЧ построен на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью по мостовой схеме. На фиг.2 изображены электрическая схема одного каскада (матрицы) упомянутого МКПЧ и схема одного блока устройства защиты.Each cascade (matrix) of the IEDC under consideration is built on fully controllable keys of IGBT modules with two-sided conductivity according to the bridge circuit. Figure 2 shows the electrical circuit of one cascade (matrix) of the said MFC and the circuit of one block of the protection device.
В представленной схеме (фиг.2) одного каскада используются следующие обозначения:In the presented scheme (figure 2) of one cascade, the following notation is used:
4.1 - ключи IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью; 4.2 - платы драйверных устройств; 7.1 - 3-фазный выпрямитель; 7.2 - датчик тока; 7.3 - пороговый элемент (варистор); 7.4 - компенсирующий конденсатор; 7.5 - балластный резистор; Utm, i2tm, Ltm, где (m=а, b, с) - напряжения, токи и собственные индуктивности фаз вторичной обмотки трансформатора (источника питания); ΔUta, ΔUtb, ΔUtc - перенапряжения в фазах источника питания; ~Ud, id, Rd, Ld - выходные напряжения, ток и параметры эквивалентной нагрузки одного каскада.4.1 - keys of IGBT modules with two-sided conductivity; 4.2 - driver device boards; 7.1 - 3-phase rectifier; 7.2 - current sensor; 7.3 - threshold element (varistor); 7.4 - compensating capacitor; 7.5 - ballast resistor; U tm , i 2tm , L tm , where (m = a, b, c) are the voltages, currents and intrinsic inductances of the phases of the secondary winding of the transformer (power source); ΔU ta , ΔU tb , ΔU tc - overvoltage in the phases of the power source; ~ U d , i d , R d , L d - output voltages, current and equivalent load parameters of one stage.
На фиг.3 изображен внешний вид устройства защиты с двумя блоками, расположенными на общей плате, установленной в опытном образце МКПЧ.Figure 3 shows the appearance of the protection device with two blocks located on a common board installed in the prototype MCPC.
4. Раскрытие изобретения.4. Disclosure of the invention.
Предлагаемое устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты по сравнению с прототипом [3] характеризуется более простым процессом реализации защиты, в частности в нём отсутствует стадия выявления ошибки коммутации, и тем самым обеспечивается увеличение надёжности срабатывания защиты.The proposed device protection matrix cascade frequency converter in comparison with the prototype [3] is characterized by a simpler process for implementing protection, in particular, it does not have the stage of detecting switching errors, and thereby increase the reliability of protection.
Указанный технический результат достигается за счет отказа от алгоритмического способа защиты при одновременном введении в каждый блок с компенсирующим конденсатором, присутствующий в прототипе [3], датчика тока и порогового элемента (варистора) с нелинейной вольт-амперной характеристикой.The specified technical result is achieved due to the rejection of the algorithmic method of protection while simultaneously introducing into each block with a compensating capacitor present in the prototype [3] a current sensor and a threshold element (varistor) with a non-linear current-voltage characteristic.
Предлагаемое устройство защиты m-фазного (А;В;С) матричного n-каскадного преобразователя частоты (фиг.1), состоящего из силовой части 1, микропроцессорной системы управления (СУ) 2 и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) 3, включает в себя n×m блоков 7, входные зажимы каждого из которых соединены с входными зажимами питания одного из n×m каскадов 4.The proposed protection device m-phase (A; B; C) matrix n-cascade frequency converter (figure 1), consisting of a power unit 1, a microprocessor control system (SU) 2 and fiber optic communication lines (FOCL) 3, includes n ×
В состав каждого блока устройства защиты 7 входит (фиг.2) 3-фазный выпрямитель 7.1, выход которого через датчик тока 7.2 и пороговый элемент (варистор) 7.3 соединен с компенсирующим конденсатором 7.4, шунтированным балластным резистором 7.5.The structure of each block of the
Выходы датчиков тока 7.2 каждого блока 7 попарно посредством сумматора 8 объединены в один общий канал, соединенный с платой преобразователя оптического 9, который в свою очередь по каналам ВОЛС 3 подключен к микропроцессорной СУ 2. Последняя по каналам ВОЛС 3 через платы преобразователей оптосигналов 10 соединена с платами драйверных устройств 4.2, обладающих функцией собственной защиты ключей IGBT-модулей 4.1 от токов (i2ta; i2tb; i2tc при перегрузках и коротких замыканиях (к.з.).The outputs of the current sensors 7.2 of each
Кроме того, СУ 2 (фиг.1) по каналам ВОЛС 3 соединена с платой обратного преобразования оптосигналов 11, выход которой подключен к устройству управления 12 контакторами 5.In addition, SU 2 (Fig. 1) is connected via fiber
Предлагаемое устройство защиты работает следующим образом: Если во время нормальной работы в одном из каскадов 4 (фиг.2) какой-либо фазы МКПЧ возникает аварийная ситуация по одной из следующих причин:The proposed protection device works as follows: If during normal operation in one of the cascades 4 (figure 2) of any phase of the MFC, an emergency occurs for one of the following reasons:
- из-за срабатывания собственной защиты какого-либо драйверного устройства 4.2 на отключение ключей IGBT-модуля 4.1 от токов перегрузки или к.з. во входной или выходной цепи;- due to the operation of the personal protection of a driver device 4.2 to disconnect the keys of the IGBT module 4.1 from overload currents or short circuit in the input or output circuit;
- из-за обрыва в цепях формирования или канализации управляющих электро- или оптосигналов на включение ключей IGBT-модулей 4.1;- due to a break in the circuits of the formation or sewerage of the control electric or optical signals to turn on the keys of IGBT modules 4.1;
- из-за программной ошибки в алгоритме коммутации ключей IGBT-модулей 4.1,- due to a software error in the key switching algorithm of the IGBT modules 4.1,
то цепь питания этого каскада 4 хотя бы по одной фазе оказывается разомкнутой.then the power circuit of this
В результате из-за разрыва цепи входных токов (i2ta; i2tb; i2tc) собственные индуктивности (Lta; Ltb; Ltc) источника питания (вторичной обмотки трансформатора) 6 вызывают всплеск перенапряжений (ΔUta; ΔUtb; ΔUtc). При превышении перенапряжений уровня, определяемого пороговым элементом (варистором) 7.3, входные токи (i2ta; i2tb; i2tc) замыкаются по цепи: 3-фазный выпрямитель 7.1 - датчик тока 7.2 - пороговый элемент 7.3 - компенсирущий конденсатор 7.4 - балластный резистор 7.5.As a result, due to an open circuit of the input currents (i 2ta ; i 2tb ; i 2tc ), the inductances (L ta ; L tb ; L tc ) of the power source (secondary winding of the transformer) 6 cause an overvoltage surge (ΔU ta ; ΔU tb ; ΔU tc ). When exceeding the voltage level determined by the threshold element (varistor) 7.3, the input currents (i 2ta ; i 2tb ; i 2tc ) are closed by the circuit: 3-phase rectifier 7.1 - current sensor 7.2 - threshold element 7.3 - compensating capacitor 7.4 - ballast resistor 7.5 .
Возникший электрический сигнал на выходе датчика тока 7.2 поступает на плату преобразователя оптического 9, который формирует оптосигнал и по каналу ВОЛС 3 передает его в микропроцессорную СУ 2. Последняя в соответствии с программой ее работы прерывает поступление управляющих оптосигналов на платы драйверных устройств 4.2 остальных каскадов в этой и в двух других фазах, осуществляя выключение ключей всех IGBT-модулей 4.1 МКПЧ. Кроме того, СУ 2 (фиг.1) формирует оптосигналы на отключение контакторов 5, которые по каналам ВОЛС 3 поступают на платы обратного преобразования оптосигналов 11 в электрические сигналы, воздействующие на устройства управления 12 контакторов 5 каждого каскада 4 в каждой фазе (А;В;С).The resulting electrical signal at the output of the current sensor 7.2 is fed to the
Таким образом, после возникновения аварийной ситуации в одном из каскадов 4 какой-либо фазы хотя бы по одной из вышеперечисленных причин входная цепь 3-фазного питания оказывается разомкнутой и реактивная энергия источника питания 6 автоматически компенсируется предлагаемым устройством защиты 7, вызывая лавинообразные процессы выключения ключей IGBT-модулей 4.1 остальных каскадов в этой и в других фазах и отключения контакторов 5 на входах мостовых схем каждого каскада 4 во всех фазах (А;В;С) МКПЧ. Причем на компенсирующем конденсаторе 7.4 в исходном состоянии благодаря наличию порогового элемента 7.3 отсутствует напряжение, что способствует повышению кпд в нормальных режимах работы МКПЧ по сравнению с НПЧ прототипа [3].Thus, after an emergency occurs in one of the
5. Осуществление изобретения.5. The implementation of the invention.
Предлагаемое устройство защиты разработано и изготовлено в виде отдельной платы с двумя блоками по схеме фиг.2 для установки в опытном образце матричного каскадного преобразователя частоты, предназначенного для питания гребного электродвигателя переменного тока высокого напряжения.The proposed protection device is designed and manufactured in the form of a separate board with two blocks according to the scheme of figure 2 for installation in a prototype matrix cascade frequency converter, designed to power a high-voltage AC propeller.
На фиг.3 изображен внешний вид устройства защиты с двумя блоками, расположенными на общей плате, установленной в шкафу опытного образца матричного 4-каскадного преобразователя частоты типа НПЧ-4,5-100УХЛ4 по схеме фиг.1 мощностью 1,0 МВт.Figure 3 shows the appearance of the protection device with two blocks located on a common board installed in the cabinet of the prototype matrix 4-stage frequency converter type NPCH-4,5-100UHL4 according to the scheme of figure 1 with a capacity of 1.0 MW.
ЛитератураLiterature
1. Устройство и способ управления обратимым преобразователем энергии переменного тока в энергию переменного тока. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А. и др. Патент RU №2265947 С2, кл. Н02М 5/27 от 09.07.2002.1. Device and method for controlling a reversible converter of AC energy into AC energy. Shreiner R.T., Efimov A.A. and others. Patent RU No. 2265947 C2, class. Н02М 5/27 from 07/09/2002.
2. Способ преобразования частоты. Шрейнер Р.Т., Кривовяз В.К. и др. Патент RU №2269860 С2, кл. Н02М 5/16 от 16.09.2003.2. The method of frequency conversion. Shreiner R.T., Krivovyaz V.K. and others. Patent RU No. 2269860 C2, class. Н02М 5/16 from 09.16.2003.
3. Method and apparatus for protecting PWM cycloconverter. Sawa Toshihiro, … Патент Яп. № EP 1154552, кл. Н02М 5/27 от 14.11.2001.3. Method and apparatus for protecting PWM cycloconverter. Sawa Toshihiro, ... Patent Yap. No. EP 1154552,
4. Устройство формирования и регулирования напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты с высокочастотной синусоидальной ШИМ. Скворцов Б.А., Васин И.М. и др. Заявка №2010129681/07 от 15.07.2010. (Решение Федеральной службы РОСПАТЕНТ о выдаче патента на изобретение №2010129681/07 (042187) от 02.02.2011).4. The device for forming and regulating the voltage of the matrix direct frequency converter with a high-frequency sinusoidal PWM. Skvortsov B.A., Vasin I.M. and other Application No. 201029681/07 of 07.15.2010. (Decision of the Federal Service of ROSPATENT on the grant of a patent for an invention No.2012929681 / 07 (042187) dated 02.02.2011).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011125396/07A RU2475930C1 (en) | 2011-06-20 | 2011-06-20 | Device for protection of matrix cascade frequency converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011125396/07A RU2475930C1 (en) | 2011-06-20 | 2011-06-20 | Device for protection of matrix cascade frequency converter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011125396A RU2011125396A (en) | 2012-12-27 |
RU2475930C1 true RU2475930C1 (en) | 2013-02-20 |
Family
ID=49121172
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011125396/07A RU2475930C1 (en) | 2011-06-20 | 2011-06-20 | Device for protection of matrix cascade frequency converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2475930C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2537846C2 (en) * | 2013-05-22 | 2015-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Device for protection of matrix cascade frequency converter |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1261068A1 (en) * | 1985-03-20 | 1986-09-30 | Уфимский Ордена Ленина Авиационный Институт Им.Серго Орджоникидзе | Frequency converter with protection |
RU2117377C1 (en) * | 1996-04-18 | 1998-08-10 | Ульяновский государственный технический университет | Fully compensated valve-type inverter and its control method |
US6351397B1 (en) * | 1998-10-30 | 2002-02-26 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Protection apparatus and protection method of PWM cycloconverter |
US6496343B2 (en) * | 2000-02-08 | 2002-12-17 | Siemens Aktiengesellschaft | Overvoltage protection apparatus for a matrix converter |
RU2291548C1 (en) * | 2005-07-13 | 2007-01-10 | Открытое акционерное общество Ливенское производственное объединение гидравлических машин (ОАО "Ливгидромаш") | Frequency converter with off-line inductor |
-
2011
- 2011-06-20 RU RU2011125396/07A patent/RU2475930C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1261068A1 (en) * | 1985-03-20 | 1986-09-30 | Уфимский Ордена Ленина Авиационный Институт Им.Серго Орджоникидзе | Frequency converter with protection |
RU2117377C1 (en) * | 1996-04-18 | 1998-08-10 | Ульяновский государственный технический университет | Fully compensated valve-type inverter and its control method |
US6351397B1 (en) * | 1998-10-30 | 2002-02-26 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Protection apparatus and protection method of PWM cycloconverter |
US6496343B2 (en) * | 2000-02-08 | 2002-12-17 | Siemens Aktiengesellschaft | Overvoltage protection apparatus for a matrix converter |
RU2291548C1 (en) * | 2005-07-13 | 2007-01-10 | Открытое акционерное общество Ливенское производственное объединение гидравлических машин (ОАО "Ливгидромаш") | Frequency converter with off-line inductor |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2537846C2 (en) * | 2013-05-22 | 2015-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Device for protection of matrix cascade frequency converter |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011125396A (en) | 2012-12-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10326355B2 (en) | Power conversion device | |
AU2009342065B2 (en) | A modular voltage source converter | |
EP2786479B1 (en) | Power converter | |
RU2384932C1 (en) | System of electricity transmission and method of its control | |
US8570775B2 (en) | CMV reduction under bus transient condition | |
RU2461912C1 (en) | Bypass module | |
EP2583375B1 (en) | Converter for hvdc transmission and reactive power compensation | |
US10637371B2 (en) | Interface arrangement between an alternating current power system and a direct current power system with control of converter valve for fault protection | |
EP2755315A1 (en) | Hybrid modular converter | |
EP3373435B1 (en) | Power conversion device | |
US9680368B2 (en) | Power converter installed between an electric power system and an energy storage device | |
EP3063850A1 (en) | Breaker circuit | |
AU2009351884A1 (en) | Converter cell module, voltage source converter system comprising such a module and a method for controlling such a system | |
CN108702101B (en) | Power conversion device and method for operating the same | |
US20140211525A1 (en) | Method and arrangement for the surge protection of inverters for photovoltaic systems | |
CN105281355A (en) | Multi-level power converter | |
US20220045624A1 (en) | Power Converter and Power Conversion System | |
US20230387778A1 (en) | Method and Apparatus for Power Conversion | |
RU2475930C1 (en) | Device for protection of matrix cascade frequency converter | |
RU2537846C2 (en) | Device for protection of matrix cascade frequency converter | |
Asoodar et al. | A new switching algorithm in Back to Back CHB Multilevel converters with the advantage of eliminating isolation stage | |
US9444365B2 (en) | Tracking method and tracking device for a voltage converter for a photovoltaic system | |
WO2020146999A1 (en) | Pv power converter and control method and pv power plant using the same | |
RU2727148C1 (en) | Device for compensation of reactive power in high-voltage networks | |
EP2709258B1 (en) | Circuit arrangement for connection to an electrical circuit and electrical circuit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200621 |