RU2428783C1 - Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим - Google Patents
Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим Download PDFInfo
- Publication number
- RU2428783C1 RU2428783C1 RU2010118177/07A RU2010118177A RU2428783C1 RU 2428783 C1 RU2428783 C1 RU 2428783C1 RU 2010118177/07 A RU2010118177/07 A RU 2010118177/07A RU 2010118177 A RU2010118177 A RU 2010118177A RU 2428783 C1 RU2428783 C1 RU 2428783C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pwm
- phase
- frequency
- control
- matrix
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Ac-Ac Conversion (AREA)
Abstract
Предложен способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты (НПЧ) каскадного типа с высокочастотной синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), каждый каскад (матрица) которого построен на полностью управляемых ключах IGВТ-модулей с двухсторонней проводимостью по мостовой схеме. Предложенный способ по сравнению со способом, используемом в прототипе, обеспечивает технический результат - повышение к.п.д. и уменьшение массогабаритных показателей за счет исключения блоков с компенсирующими конденсаторами на входных зажимах НПЧ при сохранении высоких параметров качества электроэнергии как со стороны питающей сети, так и на стороне двигательной нагрузки. Указанный технический результат достигается введением естественного спада реактивных (индуктивных) токов в фазах источников питания при их выпрямлении и в фазах электродвигателя при коммутации ключей в режиме формирования и регулирования выходного напряжения методом высокочастотной двуполярной ШИМ. Предложенный способ реализован в программном обеспечении опытного образца матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ, предназначенного для регулирования высоковольтного гребного электродвигателя большой мощности в системах электродвижения перспективных крупнотоннажных судов, например, судов ледового плавания и нового поколения ледоколов. 3 ил.
Description
1.1. Область техники. Настоящее изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники, в частности к непосредственным преобразователям частоты (НПЧ) для регулирования высоковольтных электродвигателей переменного тока большой мощности.
1.2. Уровень техники. Известен способ и устройство управления преобразователем частоты, построенным по схеме 3-фазного двухзвенного НПЧ на IGВТ-модулях, как на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью с использованием программного метода высокочастотной адаптивной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для формирования входных и выходных токов и регулирования выходного напряжения, описанные, например, в [1; 2].
В указанных источниках информации в качестве способа и устройства компенсации реактивных (индуктивных) токов питающей сети, т.е. для поддержания непрерывности протекания токов в цепях от источников питания к фазам электродвигателя при коммутации ключей как на частоте сети, так и на высокой частоте ШИМ, используется способ подключения батареи конденсаторов к входным зажимам НПЧ. Такое решение задачи приводит к дополнительным потерям электроэнергии, т.е. к снижению к.п.д., а также к увеличению массогабаритных показателей НПЧ.
Кроме того, двухзвенный НПЧ на IGВТ-модулях с высокочастотной ШИМ имеет недостаток, обусловленный наличием двух звеньев в цепи преобразования, что также приводит к дополнительным потерям мощности и к снижению к.п.д.
Более близким по способу формирования и регулирования выходного напряжения к заявляемому способу является схема однозвенного однокаскадного матричного НПЧ на IGВТ-модулях с двухсторонней -проводимостью, и с высокочастотной, ШИМ, описанная в [3]. Однако в [3] патентуется способ и устройство защиты указанной схемы от аварийных ситуаций, в которой также присутствует блок с компенсирующими конденсаторами, подключенный к входным зажимам.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ формирования высокого напряжения в преобразователе по схеме однозвенного матричного НПЧ каскадного типа, описанной в [4] (прототип).
В указанном преобразователе, построенном на полностью управляемых ключах IGВТ-модулей с двухсторонней проводимостью, соединенных в каждом каскаде по мостовой 3-фазной схеме, реализуется каскадный принцип формирования высокого напряжения на выходе при питании от потенциально изолированных источников питания с использованием программного метода высокочастотной синусоидальной ШИМ для его регулирования. Однако ключи мостовых схем в указанном преобразователе работают в режиме инвертирования с длительностью включенного состояния 120° эл., и для поддержания непрерывности протекания токов в цепях от источников напряжения к фазам электродвигателя используются необходимые в этом случае блоки с компенсирующими конденсаторами.
1.3. Краткое описание чертежей.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображена блок-схема трехфазного матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ с подключенной к нему обмоткой асинхронного электродвигателя.
На фиг.2 изображена электрическая схема одного каскада (матрицы) упомянутого НПЧ, построенного на полностью управляемых ключах IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью по трехфазной мостовой схеме. В изображенной схеме одного каскада трехфазного моста используются следующие обозначения: 1…6 - управляемые ключи IGВТ-модулей; 7…12 - снабберные конденсаторы; 13 - драйверные устройства; Utm, i2tm, Rtm, Ltm, где (m=а, b, с), - напряжение, токи и параметры фаз вторичной обмотки трансформатора (источника питания); ii (i=1…6) - токи в ключах моста; ~Ud, id, еd, Rd, Ld - выходные напряжение и ток, а также э.д.с. и параметры фазы двигательной нагрузки.
На фиг.3 представлены временные диаграммы управляющих сигналов при формировании высокочастотной синусоидальной ШИМ для ключей одного каскада мостовой схемы и расчетные кривые фазного тока и напряжения на входных и выходных зажимах устройства по заявляемому способу.
В представленных диаграммах и кривых используются следующие обозначения: Uta, Utb, Utc - напряжения фаз вторичной обмотки трансформатора; Uon - опорное высокочастотное пилообразное напряжение; Uy - напряжение управления скважностью синусоидальной ШИМ; J1, J2, J3 - функции разрешения ШИМ плечей моста; K1, К2…К6 - функции состояния плечей моста; idA, idB, idC, UdA, UdB, UdC - расчетные фазные токи и напряжения на выходе НПЧ по схеме фиг.1 (на зажимах электродвигателя).
1.4. Раскрытие изобретения
Заявленный способ реализуется в устройстве матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ, в котором обеспечивается по сравнению с прототипом [4] повышение к.п.д. и уменьшение его массогабаритных показателей за счет исключения блоков с компенсирующими конденсаторами при сохранении высоких параметров качества электроэнергии как со стороны питающей сети, так и на стороне электродвигателя.
Указанный технический результат достигается введением естественного спада реактивных (индуктивных) токов в фазах источников питания при их коммутации в мостовых схемах (матрицах) каждого каскада в режиме выпрямления и в фазах электродвигателя при коммутации ключей в режиме формирования и регулирования выходного напряжения методом высокочастотной синусоидальной двуполярной ШИМ.
Устройство матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной. синусоидальной ШИМ, реализующее заявленный способ, состоит из т-фазной силовой части 1 и микропроцессорной системы управления (СУ) 2 с пультом управления 3 (фиг.1). В каждой m-фазе (А;В;С) силовой части 1 содержится n-каскадов мостовых схем 4 (матриц). Входы мостовых схем 4 посредством контакторов 5 подключены к (m×n) потенциально развязанным трехфазным источникам питания (вторичным обмоткам трансформаторов) 6 с низким уровнем напряжения, половина из которых соединена "звездой", а другая: половина - "треугольником", что способствует, улучшению параметров, качества электроэнергии со стороны питающей сети. Кроме того, входы мостовых схем 4 подключены к датчикам напряжения 7, выходы которых в свою очередь соединены с CУ 2.
Выходы n-каскадов мостовых схем 4 каждой фазы соединены между собой последовательно-согласно и подключены с одной стороны через датчики фазных токов 8 к фазам электродвигателя 9, а с другой стороны соединены в общую точку. Каждый каскад силовой части 1 построен на IGВТ-модулях 1…6 (фйг.2) с ключами, двухсторонней проводимости, шунтированными снабберными конденсаторами 7…12 и соединенными по трехфазной мостовой схеме.
Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ реализуется следующим образом.
По сигналу от пульта управления 3 СУ 2 (фиг.1) осуществляет включение контакторов 5 и тем самым подачу питания от (m×n) вторичных обмоток трансформаторов 6 на входы мостовых схем 4 каждого n-го каскада.
Управляющие сигналы, поступающие от СУ 2 на драйверные устройства 13 IGВТ-модулей 1…6 (фиг.2), осуществляют включение и выключение ключей в плечах мостовых схем 4 в режиме выпрямления с углом управления α=0 с длительностью разрешенного открытия ключей (120°+γ) эл. для обеих полуволн выходного напряжения ~Ud. Сигналы от датчиков напряжения 7, поступая в СУ 2, обеспечивают синхронизацию управляющих сигналов ключей мостовых схем 4 по частоте и фазе с э.д.с. (е2tm) вторичных обмоток трансформаторов 6.
Выходные напряжения ~Ud n-каскадов мостовых схем 4 в каждой m-фазе (А; В; С) при их одновременном включении суммируются, что обеспечивает в режиме синусоидальной ШИМ необходимый уровень высокого напряжения. Далее сумма напряжений ~Ud от n-каскадов мостовых схем 4 каждой m-фазы поступает через датчики фазных токов 8 на фазы электродвигателя 9 (фиг.1).
С целью программной реализации режима выпрямления каждой мостовой схемы (фиг.2) вводятся функции разрешения ШИМ ключей, которые синхронизируются по частоте и фазе τ с э.д.с. е2tm (m=а,b,с) источника питания. При этом мгновенные значения функций разрешения ШИМ Ji (i=1, 2, … 6) определяются следующими условиями (для одной из групп моста) (фиг.3):
Начальные условия J1=J2=J3=0
Увеличение длительности разрешения включенного состояния ключей относительно общепринятой в [3;4] длительности 120° эл. на угол коммутации, (перекрытия) γ приводит к созданию режима естественного спада реактивных (индуктивных) токов i2tm, где m=а, b, с (фиг.2), при их коммутации в мостовой схеме. При этом длительность угла коммутации γ на момент начала каждой коммутаций вычисляется по функциональной зависимости:
где: Хγ = индуктивное сопротивление (приведенное) фазы источника питания (вторичной обмотки трансформатора);
id - текущее мгновенное значение выходного тока (фазного тока электродвигателя) на момент начала коммутации;
E2t - фазная э.д.с. (действующее значение) источника питания (вторичной обмотки трансформатора).
Указанную зависимость угла коммутации γ в функции текущего значения тока id (фазного тока электродвигателя 9) обеспечивает программа работы СУ 2 на основе информации, получаемой, от датчиков фазных токов 8 (фиг.1).
Кроме того, СУ 2 непрерывно формирует известным [1; 2] программным способом сигналы (прямые и инверсные) высокочастотной, синусоидальной ШИМ с регулируемой скважностью (фиг.3) на основе сравнения опорного напряжения Uоп пилообразной формы и напряжения управления Uy синусоидальной формы.
При совпадении сигналов синусоидальной ШИМ с функциями разрешения, ШИМ Ji предыдущего режима выпрямления формируются управляющие сигналы на включение и выключение ключей в плечах мостовых схем, осуществляя двуполярное (положительное, или отрицательное) подключение «выпрямленных» напряжений ~Ud (фиг.2) одновременно от каждого каскада 3-фазных источников питания 6 к соответствующим фазам электродвигателя 9 (фиг.1).
Для программной реализации состояния ключей в плечах мостовой схемы (фиг.2) используются функции состояния плеч Кi, где: i=1, 2, 3, 4, 5, 6. Если плечо моста открыто, то Ki=7. Если плечо моста закрыто, то Кi=0 (фиг.3). При двуполярной ШИМ для плечей противоположной группы моста справедливо их инверсное состояние:
При работе мостовой схемы в режиме синусоидальной двуполярной ШИМ значения функций Ki определяются следующими условиями:
К1=К2=К3=К4=К5=К6=0,
Таким образом, за счет введения естественного спада реактивных (индуктивных) токов в фазах вторичных обмоток трансформаторов при их коммутации в n-каскадах мостовых схемах каждой m-фазы НПЧ и в фазах электродвигателя при коммутации ключей на частоте двуполярной ШИМ обеспечивается непрерывность протекания токов от источников питания к фазам электродвигателя. Тем самым исключается необходимость в блоках с компенсирующими конденсаторами на входных зажимах каждого каскада матричного НПЧ.
1.5. Осуществление изобретения.
Заявленный способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного НПЧ каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ и программное обеспечение к нему реализованы в опытном образце устройства по схеме фиг.1 без блоков с компенсирующими конденсаторами. Упомянутый опытный образец предназначен для регулирования высоковольтного гребного электродвигателя в системе электродвижения перспективных крупнотоннажных судов, например судов ледового плавания и нового поколения ледоколов.
На фиг.3 изображены временные диаграммы управляющих сигналов при формировании высокочастотной синусоидальной двуполярной ШИМ для одного каскада мостовой схемы НПЧ и кривые фазных токов и напряжений на его входных и выходных зажимах, рассчитанные на основе математической модели системы в составе синхронный генератор мощностью 1000 кВт - матричный НПЧ - асинхронный электродвигатель мощностью 800 кВт при частоте питания 50 Гц, выходной частоте 17 Гц и частоте ШИМ 1200 Гц.
Литература
1. Устройство и способ управления обратимым преобразователем энергии переменного тока в энергию переменного тока. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А. и др. Патент РФ №RU 2265947 С2, кл. Н02М 5/27 от 09.07.2002.
2. Способ преобразования частоты. Шрейнер Р.Т., Кривовяз В.К. и др. Патент РФ № RU 2269860 С2, кл. Н02М 5/16 от 16.09.2003.
3. Method and apparatus for protecting PWM cycloconverter. Sawa Toshihiro, … Патент Яп. № ЕР 1154552, кл. Н02М 5/27 от 14.11.2001.
4. Матричный каскадный преобразователь частоты типа СIМR-МХ1S на IGВТ-модулях с высокочастотной ШИМ и с рекуперацией энергии для высоковольтного электропривода переменного тока мощностью до 6,0 МВА. - Проспект фирмы «Yaskawa Electric Corporation» (Япония), 2007 г.
Claims (1)
1. Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной ШИМ, содержащего в m-фазной силовой части n каскадов 3-фазных мостовых схем на IGВТ-модулях с ключами двухсторонней проводимости, шунтированных снабберными конденсаторами, причем выходы мостовых схем соединены последовательно-согласно, а входы подключены к (m×n) потенциально развязанным 3-фазным источникам питания (вторичным обмоткам трансформаторов), использующий в микропроцессорной системе управления известный программный способ формирования управляющих сигналов методом высокочастотной синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с регулируемой скважностью для управления моментом включения и выключения ключей указанных n каскадов мостовых схем, отличающийся тем, что управляющие сигналы на частоте питания обеспечивают режим выпрямления с углом управления α=0 и с длительностью разрешения на включенное состояние ключей (120°+γ) эл. как для положительной, так и для отрицательной полуволн выходного напряжения, а на высокой частоте синусоидальной ШИМ при совпадении с предыдущим режимом осуществляют двуполярное (положительное или отрицательное) подключение фаз 3-фазных источников питания каждого n-го каскада одновременно к соответствующим фазам электродвигателя, где γ - угол естественного спада тока в фазах источников питания на момент начала каждой коммутации вычисляется по формуле 
Хγ - индуктивное сопротивление (приведенное) фазы источника питания (вторичной обмотки трансформатора);
id - текущее мгновенное значение тока электродвигателя;
E2t - фазная эдс (действующее значение) источника питания (вторичной обмотки трансформатора).
Хγ - индуктивное сопротивление (приведенное) фазы источника питания (вторичной обмотки трансформатора);
id - текущее мгновенное значение тока электродвигателя;
E2t - фазная эдс (действующее значение) источника питания (вторичной обмотки трансформатора).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010118177/07A RU2428783C1 (ru) | 2010-05-05 | 2010-05-05 | Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010118177/07A RU2428783C1 (ru) | 2010-05-05 | 2010-05-05 | Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2428783C1 true RU2428783C1 (ru) | 2011-09-10 |
Family
ID=44757753
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010118177/07A RU2428783C1 (ru) | 2010-05-05 | 2010-05-05 | Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2428783C1 (ru) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU184461U1 (ru) * | 2018-06-28 | 2018-10-26 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Матричный преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения |
| CN110995113A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-04-10 | 新风光电子科技股份有限公司 | 一种电压等级可拓展的级联式防爆变频器 |
| RU2735323C2 (ru) * | 2019-03-25 | 2020-10-30 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Каскадный преобразователь частоты |
| CN117135132A (zh) * | 2023-10-26 | 2023-11-28 | 南京纳特通信电子有限公司 | 一种多端***频矩阵及其控制方法 |
-
2010
- 2010-05-05 RU RU2010118177/07A patent/RU2428783C1/ru active IP Right Revival
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU184461U1 (ru) * | 2018-06-28 | 2018-10-26 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Матричный преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения |
| RU184461U9 (ru) * | 2018-06-28 | 2018-12-05 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Матричный преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения |
| RU2735323C2 (ru) * | 2019-03-25 | 2020-10-30 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Каскадный преобразователь частоты |
| CN110995113A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-04-10 | 新风光电子科技股份有限公司 | 一种电压等级可拓展的级联式防爆变频器 |
| CN110995113B (zh) * | 2019-12-20 | 2023-05-26 | 新风光电子科技股份有限公司 | 一种电压等级可拓展的级联式防爆变频器 |
| CN117135132A (zh) * | 2023-10-26 | 2023-11-28 | 南京纳特通信电子有限公司 | 一种多端***频矩阵及其控制方法 |
| CN117135132B (zh) * | 2023-10-26 | 2024-01-23 | 南京纳特通信电子有限公司 | 一种多端***频矩阵的信号控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102009509B1 (ko) | 3상 인버터의 옵셋 전압 생성 장치 및 방법 | |
| US20110115417A1 (en) | Pm motor drive power supply apparatus | |
| RU185666U1 (ru) | Многофазная система электродвижения судов | |
| Kaarthik et al. | Medium-voltage drive for induction machine with multilevel dodecagonal voltage space vectors with symmetric triangles | |
| AU2015205308A1 (en) | Power conversion device and three-phase alternating current power supply device | |
| US8730702B2 (en) | Very high efficiency three phase power converter | |
| TWI667874B (zh) | Power conversion device and three-phase AC power supply device | |
| KR20160122922A (ko) | 3상 인버터의 옵셋 전압 생성 장치 및 방법 | |
| JP4735188B2 (ja) | 電力変換装置 | |
| RU2422975C1 (ru) | Устройство формирования и регулирования напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты с высокочастотной синусоидальной шим | |
| RU2428783C1 (ru) | Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим | |
| Sayed et al. | Modeling and control of bidirectional isolated battery charging and discharging converter based high-frequency link transformer | |
| CN102820797A (zh) | 一种采用多绕组变压器及多h桥结构的逆变器装置及其电压输出的方法 | |
| RU181202U1 (ru) | Система электродвижения судов | |
| Fujita | Emerging technologies for multilevel converters in Japan | |
| RU187809U1 (ru) | Многофазная система электродвижения судов с коммутатором в нейтрали | |
| RU2639048C2 (ru) | Способ преобразования частоты | |
| Takahashi et al. | High power factor control for current-source type single-phase to three-phase matrix converter | |
| RU195700U1 (ru) | Полупроводниковый преобразователь | |
| RU2680715C1 (ru) | Источник питания для индуктора | |
| Biabani et al. | Performance analysis of step up and step down cyclo converter | |
| Nair et al. | Performance study of advanced discontinuous SVPWM methods with zero changing angle variation | |
| Yang et al. | A study of TNPC type single-phase 5-level inverter for energy storage system | |
| Otero-De-Leon et al. | A push-pull DC-AC high frequency power electronics transformer for photovoltaic applications | |
| Venugopal et al. | Analysis of 12 pulse three-phase to three-phase cycloconverter drive for induction motor load |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120506 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150820 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170506 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180517 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190506 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20191219 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20210202 |