К.т.н. Кухарев А.Л. Стахановский учебно-научный институт горных и образовательных технологий Украинской инженерно-педагогической академии Схемотехнические аспекты повышения надежности преобразователей частоты каскадного типа В современных высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах, а так же системах потребления и передачи переменного тока все большее распространение получают полупроводниковые преобразователи, выполненные на базе многоуровневых автономных инверторов напряжения, которые наряду с делением напряжений на последовательно включенных полупроводниковых приборах обеспечивают форму выходного напряжения, приближающуюся к синусоиде [1–3]. Для указанных областей применения существует несколько концепций построения высоковольтных многоуровневых преобразователей, основные схемотехнические решения которых приведены в [1]. Одной из проблем, возникающих при реализации данных преобразователей, является обеспечение их надежного функционирования в нормальных и аварийных режимах работы. Поэтому из рассмотренных в [1] направлений следует выделить каскадную схему, которая основана на последовательном соединении унифицированных вентильных ячеек, питающихся от входного многообмоточного трансформатора [2,3]. В каждой вентильной ячейке, как правило, устанавливается байпасная цепь, обеспечивающая при каких-либо внутренних повреждениях ячейки шунтирование ее выходных выводов. Таким способом обеспечивается вывод поврежденной ячейки из работы при непрерывном протекании тока нагрузки. Поэтому при повреждении одной или нескольких вентильных ячеек обеспечивается непрерывное электропитание нагрузки при некотором снижении выходной мощности и частоты. Очевидно, что обеспечение безаварийной работы каскадного высоковольтного преобразователя частоты (ВПЧ) при повреждении одной из вентильных ячеек, существенно зависит от надежности работы байпасной цепи. В связи с этим нами была предложна усовершенствованная схема каскадного ВПЧ, показанная на рис. 1 и рис. 2 (на примере питания высоковольтного электродвигателя) [3]. ВПЧ содержит многообмоточный трансформатор 1 с первичной обмоткой 2 и со вторичными обмотками 3–11, которые соединены по схеме «треугольник-авто», для обеспечения фазового сдвига трансформируемого напряжения. Вентильные ячейки 12–20 входными выводами А, В, С подключены к соответствующим выводам вторичных обмоток 3–11 трансформатора 1, а выходными выводами соединяются последовательно. Управление вентильными ячейками 12–20 выполняется основным блоком управления 21, который соединяется с локальным блоком управления 52 каждой ячейки информационным каналом, например, оптоволоконным кабелем. Питание основного блока управления 21 осуществляет первый блок питания 33, который подключается к низковольтной сети через источник бесперебойного питания 32 и обеспечивает для схемы управления стабилизированное напряжение. Второй блок питания 34, выполнен в виде источника стабилизированного тока. Его выходные выводы подключены к последовательно соединенным первичным обмоткам трансформаторов тока 23–31, образуя, таким образом, замкнутый токоведущий контур. Вторичные обмотки трансформаторов тока 23–31 подключены к выводам I1, I2 соответствующих вентильных ячеек 12–20. Силовая схема ячейки содержит предохранители 35–37, неуправляемый мостовой выпрямитель, выполненный на шести диодах 38– 43, емкостное звено 44 и однофазный инвертор в виде управляемого моста, выполненный на четырех IGBT-модулях с обратными диодами 45–48. Между выходными выводами управляемого моста включена байпасная цепь, которая выполнена на базе двух встречно-последовательно соединенных IGBT-модулей с обратными диодами 49, 50. Управляющие выводы IGBTмодулей однофазного мостового инвертора 45–48 и IGBT-модулей байпасной цепи 49, 50 подключены к локальному блоку управления 52, питание которого осуществляется от выходного каскада локального блока питания 51, первый входной каскад которого подключен к выводам А и В входного напряжения, а второй входной каскад подключен к токовым выводам I1, I2. Рис. 1. Функциональная схема ВПЧ. Рис. 2. Функциональная схема вентильной ячейки Преимущества рассмотренных схемотехнических решений состоят в следующем. Кроме основного питания в схему ВПЧ введен второй контур питания, состоящий из второго блока питания, схемы распределения электроэнергии в виде последовательно соединенных трансформаторов тока, подключаемых к соответствующим входным каскадам локальных блоков питания каждой вентильной ячейки. Т.е. питание локальной системы управления и защиты вентильных ячеек постоянно осуществляется от двух независимых источников электроэнергии, чем обеспечивается бесперебойность электропитания системы управления и защиты вентильных ячеек. В отличие от односторонней схемы электропитания схема двухстороннего питания является более устойчивой в аварийных режимах. Таким образом, разработанные схемы байпасной цепи повышают надежность преобразователей частоты и соответственно нагрузок, питающихся от данных преобразователей. Література 1. Донской Н. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики / Н. Донской, А. Иванов, В. Матисон, И. Ушаков // Силовая электроника. – 2008. – № 1. – С. 43–46. 2. Park Y.M. Design of a Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter Based on Power Electronics Building Blocks and Control for High Performance / Young-Min Park, Han-Seong Ryu, Hyun-Won Lee, Myung-Gil Jung, Se-Hyun Lee // Journal of Power Electronics.– 2010. – Vol. 10.– №3. – P. 262–269. 3. Пат. 63759 Украина МПК6 H02M5/45, H02Н7/12. Частотнорегульований високовольтний електропривод / Кухарєв О.Л., Селюков І.І., Заявники та патентовласники Кухарєв Олексій Леонідович, Селюков Ігор Іванович. – №u201101206, заявл. 03.02.2011; опубл. 25.10.2011, Бюл. № 20.
