книги / Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016 , Пермь, 3-7 октября 2016 г

Engineering and Research Center

«Automated Systems and Complexes»,

Ekaterinburg, Russian Federation

В докладе приведено описание общего принципа построения, конструктивных решений и технических характеристик силовых быстрозаменяемых модулей для преобразователей частоты большой мощности.

General design concepts, construction types and technical characteristics of fast-replaceable modules for high power frequency converters are presented in the report.

Ключевые слова: частотно-управляемый электропривод, преобразователь частоты.

Keywords: variable frequency drive, frequency convertor.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время частотно-управляемый электропривод переменного тока получил широкое распространение в промышленности. Это обусловлено рядом преимуществ асинхронных электродвигателей над двигателями постоянного тока и значительными успехами в силовой полупроводниковой технике.

Одной из отраслей промышленности, имеющей большой спрос на данные приводы, является нефтедобывающая промышленность. Для ее нужд необходима линейка преобразователей частоты в диапазоне от 0,5 до 2,6 МВт при напряжении питающей сети и электродвигателя 690 В. Сегодня эти потребности удовлетворяются за счет применения преобразователей частоты ведущих зарубежных производителей. Эти устройства обладают хорошими функциональными возможностями и надежностью работы. Однако из-за значительного снижения прибыли от продажи нефти стоимость преобразователей частоты зарубежного производства оказывается непо-

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin, Ekaterinburg, Russian Federation

мерно высокой. Помимо этого, в связи с введением со стороны ряда зарубежных стран ограничений на поставку оборудования для нефтедобывающей отрасли России появляется необходимость в создании собственных образцов оборудования и технологий.

Это делает актуальной задачу разработки преобразователей частоты отечественного производства, обеспечивающих нехудшие технические показатели при более низкой стоимости.

I. ОБЩИЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

Для решения данной задачи на предприятии «Автоматизированные системы и комплексы», г. Екатеринбург, начата разработка преобразователя частоты. Эта работа основывается на многолетнем опыте разработки преобразователей для автоматизированного электропривода как постоянного [1], так и переменного [2–4] тока.

В качестве принципа построения преобразователя частоты принята модульная компоновка. Это решение обеспечивает:

1)легкое наращивание мощности привода путем параллельного соединения нужного количества модулей;

2)снижение стоимости преобразователя за счет снижения номенклатурыконструктивныхэлементови узлов;

3)обеспечение легкой и быстрой замены вышедшего из строя модуля из-за его относительно небольших габаритов и массы;

4)уменьшение номенклатуры запасных частей, хранимых на складах эксплуатационной организации.

Основными элементами силовой части преобразователя частоты являются выпрямительный и инверторный модули. Их схемы показаны на рис. 1, 2.

II. СХЕМА ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ

Выпрямительный модуль выполнен по шестифазной мостовой схеме (см. рис. 1). Модуль состоит из двух одинаковых трехфазных выпрямителей, образующих два идентичных параллельных канала с номинальным током 500 А каждый. Каждый канал имеет свой независимый ввод, линейный контактор, входной реактор, выпрямительную секцию, а также датчики напряжения, тока и температуры.

Линейные контакторы КМ1 и КМ2 осуществляют коммутацию преобразователя частоты к питающей сети по сигналу от его системы управления. Отключение устройства от сети происходит либо по сигналу управления, либо в случае возникновения аварийной ситуации, например пропадания или недопустимого снижения напряжения в питающей сети.

Входные реакторы L1 и L2 обеспечивают электромагнитную совместимость с питающей сетью и выравнивание токов, протекающих через параллельно соединенные выпрямительные секции.

Защита выходных цепей реализована с помощью быстродействующих предохранителей FU1…FU4.

С помощью датчиков измеряются входные напряжения на всех входах и выходе блока, токи в шести фазах и температуры охладителей в каждой выпрямительной секции. Эти сигналы подвергаются первичной обработке в системе управления выпрямителем, затем они передаются в систему управления преобразователем частоты.

Контактор КМ3 и токоограничивающие резисторы R1…R3 образуют цепь заряда конденсаторов, установленных в звене постоянного тока автономного инвертора напряжения.

Наличие двух вводов позволяет использовать данный выпрямитель либо в режиме двенадцатипульсного выпрямления при независимом подключении вводов, либо как шестипульсный выпрямитель при параллельном соединении вводов.

III. СХЕМА ИНВЕРТОРНОГО МОДУЛЯ

Двухуровневый инвертор (см. рис. 2) собран по трехфазной мостовой схеме на базе современных биполярных транзисторов сизолированнымзатвором(IGBT).

В состав модуля входят: силовые клеммы, входной фильтр, разрядные резисторы, транзисторный инвертор, сглаживающие RC-цепи, а также датчики электрических величин.

Входной фильтр предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в звене постоянного тока преобразователя частоты. Фильтр реализован на конденсаторах С1…С18.

Разрядные резисторы R1…R9 обеспечивают выравнивание разности потенциалов на последовательно соединенных конденсаторах фильтра при работе инвертора и их разрядку после снятия питающего напряжения за время не более 900 с.

Транзисторный инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное напряжение с регулируемой частотой и действующим значением. За счет применения синусоидальной ШИМ достигается близкая к гармонической форма выходного напряжения инвертора. В состав транзисторов инвертора входят датчики температуры, информация от которых поступает с систему управления и защиты преобразователя частот. Для снижения тока утечки в силовом кабеле и приводном электродвигателе на выходе транзисторовустановленывоздушныереакторы.

Сглаживающие RC-цепи снижают коммутационные перенапряжения на выходе инвертора. Они реализованы на плате A6 и резисторах R10…R12. Дополнительно к ним, на выводах транзисторов установлены снабберные конденсаторы.

Датчики электрических величин обеспечивают контроль выходных токов в каждой фазе и напряжения в звене постоянного тока. Сигналы с этих датчиков после первичной обработки передаются в систему управления преобразователем частоты.

IV. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛЕЙ

Конструкция модулей обеспечивает возможность их перемещения эксплуатационным персоналом без использования подъемно-транспортных механизмов. Это достигается за счет применения встроенной в модуль колесной тележки. На рис. 3 показан чертеж установки модуля в шкаф. Для примера показан шкаф шириной 800 мм, условно изображенный без стенок и двери.

Установка модуля производится в следующем порядке:

♦установка пандуса напротив монтажного отсека шкафа;

♦закатывание модуля в монтажный отсек;

♦фиксация модуля в монтажном отсеке шкафа крепежными болтами в верхней и нижней его части;

♦установка двух перемычек между шинами постоянного тока шкафа и выводами модуля;

♦фиксация соединения выводов переменного тока модуля и клемм шкафа с помощью специального ключа;

♦подключениеразъемапитанияэлектровентилятора. Выкатывание модуля производится в обратном по-

рядке. Затем модуль можно перемещать по полу на собственных колесах. Для предотвращения опрокидывания модуль оснащен выдвижными опорами.

Разработанные модули позволяют компактно размещать оборудование в электротехническом шкафу за счет использования всего его объема. Проектом предусматривается два вида шкафов для силовых блоков: шириной 600 и 800 мм. В шкаф шириной 600 мм устанавливается два модуля, а в шкаф шириной 800 мм – три модуля. Также шкаф шириной 600 мм предполагается использовать для подключения питающего кабеля и установки входного разъединителя.

Разработанные шкафы содержат монтажные отсеки для установки и закрепления силовых модулей, а также силовую ошиновку, быстродействующие защитные предохранители и фильтры подавления синфазных помех.

время планируется проведение их испытаний в условиях опытно-промышленной эксплуатации.

На следующем этапе запланировано создание оборудования для проведения полного цикла приемосдаточных испытаний, включая и проверку работы модулей под номинальным током и номинальным напряжением. Это позволит гарантировать высокое качество выпускаемой продукции.

Библиографический список

1.Бородацкий Е.Г., Кривовяз В.К. Выпрямительные полупроводниковые секции для автоматизированных электроприводов // Изв. Тул. гос. унта. Техническиенауки. Вып. 3. Ч. 2. Тула: Изд-воТулГУ, 2010.

2.Бородацкий Е., Васильев П., Кривовяз В. Частотно-управляемый электропривод передвижения самоходного грузового вагона // Силовая электроника. 2011. № 5.

I.P. Voronin, P.A. Voronin

National Research University “MPEI”,

Moscow, Russian Federation

Рассмотрены характеристики и особенности применения отечественного трехуровневого инвертора, а также основные проблемы, связанные с использованием многоуровневой топологии, и пути их решения.

General specifications and application details of the national three-level inverter have been revised in that paper as well as problems of a multilevel topology usage and possible ways of resolving it.

Ключевые слова: DC-AC-преобразователи, силовые полупроводниковые устройства, IGBT-транзисторы, трехфазная электрическая мощность, вольт-амперные характеристики.

Keywords: DC-AC сonverters, power semiconductor devices, insulated gate bipolar transistors (IGBT), three-phase electric power, current-voltage characteristics.

ВВЕДЕНИЕ

Многоуровневые схемы инверторов объединяют достоинства амплитудной (АИМ) и широтно-импульсной (ШИМ) модуляции, за счет чего достигаются следующие преимущества:

–улучшение гармонического состава выходного сигнала;

–снижение массы и габаритов фильтрующих устройств;

–снижение класса напряжения ключевых элементов схемы;

–снижение энергии динамических потерь и суммарной рассеиваемоймощностивключевыхэлементахсхемы;

–увеличение срока службы ключевых элементов схемы;

–снижение массы и габаритов радиаторов системы охлаждения;

–при работе в составе синхронного или асинхронного привода– снижениеуровняшума ивибраций привода.

D.V. Rozhkov, Y.T. Portnoy

“VNIIEM Corporation” JC,

Moscow, Russian Federation

В настоящее время многоуровневые инверторы стали все шире применяться в устройствах электропривода, в источниках бесперебойного питания и солнечных энергетических станциях, что вызвано высокими требованиями к КПД устройств и качеству выходного сигнала.

Перспективным направлением в разработке многокристальных силовых модулей является трехуровневая схема сфиксированной нейтралью (NPC) (рис. 1). Немецкие ком-

пании SEMIKRON и Infineon Technologies производят це-

лый ряд серийных типов силовых трехуровневых модулей в корпусах MiniSKiiP [1] и EconoPACK [2]. Японская фир-

ма OMRON выпускает компактный трехуровневый инвертор серии G7 на напряжение 400 В. Ряд трехуровневых силовыхмодулейпроизводитяпонскаяфирмаFuji Electric.

Внастоящее время весьма актуальной является проблема импортозамещения.

Встатье рассматриваются характеристики и особенности применения первого отечественного силового модуля IGBT на выходное напряжение 2000 В и ток 100 А.

Рис. 1. Трехуровневая схема с фиксированной нейтралью

Данный модуль выполнен по схеме трехуровневого полумоста с фиксированной нейтралью [3]. Конструкция интегрального трехуровневого модуля и трехуровневого инвертора напряжения с системой управления представлена на рис. 2.

При разработке конструкции трехуровневого силового модуля потребовалось решить целый ряд технических задач, свойственных устройствам с многоуровневой топологией.

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТРЕХУРОВНЕВЫХ ИНВЕРТОРОВ

Рассмотрим основные проблемы трехуровневых схем инверторов с фиксированной нейтралью и пути их решения:

1. Балансировка напряжения на входных емкостных фильтрах

Причиной разбалансировки являются броски тока нагрузки и изменение коэффициента мощности нагрузки. Известно, что основными факторами, позволяющими изменять амплитуду напряжения на шинах постоянного тока, являются топологические состояния ключевых элементов многоуровневой схемы, связанные с малыми и средними векторами в системе векторного широтно-импульсного управления.

Поскольку все состояния схемы, связанные с малыми векторами, обладают свойством избыточности, они наилучшим образом подходят для обеспечения балансировки напряжения на входных емкостных фильтрах. Если напряжение на верхнем фильтровом конденсаторе растет, а на нижнем фильтровом конденсаторе соответственно снижается, в последовательности управляющих импульсов используются только положительные малые векторы.

И, наоборот, если напряжение на верхнем фильтровом конденсаторе снижается, а на нижнем фильтровом конденсаторе соответственно растет, в последовательности управляющих импульсов используются только отрицательные малые векторы [4].

Однако указанный метод балансировки в значительной степени утрачивает свою эффективность при преобладающем росте реактивной составляющей мощности на выходе преобразователя. В этом случае единственным способом, обеспечивающим выравнивание

напряжения на фильтровых конденсаторах, остается вариант повышения номинальной емкости данных конденсаторов (рис. 3).

2. Ограничение статического перенапряжения на внутренних ключевых элементах схемы

Статические перенапряжения в многоуровневой схеме возникают из-за разброса сопротивлений утечки ключевых элементов схемы. Рассмотрим данную проблему на примере трехуровневой схемы при включенном состоянии верхних транзисторов Т1 и Т2 и выключенном состоянии нижних транзисторов Т3 и Т4. Если сопротивление утечки Rут3 внутреннего транзистора Т3 больше сопротивления утечки Rут4 внешнего транзистора Т4, фиксирующий диод D6 будет находиться в выключенном состоянии, и на внутреннем транзисторе Т3 будет возникать статическое перенапряжение, значение которого будет тем больше, чем больше разброс значений сопротивлений утечки приборов (рис. 4, а). Для решения проблемы необходимо контролировать параметры токов утечки, применяемых в силовом модуле полупроводниковых кристаллов, обеспечивая режим, при котором токи утечки внешних транзисторов всегда меньше по сравнению с токами утечки внутренних транзисторов. Возможно также применение дополнительного шунтирующего резистора R0, который подключается параллельно сборке фиксирующих диодов D5 и D6 и обеспечивает гарантированный начальный ток проводимости фиксирующих диодов при любом соотношении сопротивлений утечки (рис. 4, б) [5].

Рис. 3. Значение емкости С при балансной регулировке и без балансной регулировки при трех значениях

коэффициента нагрузки: 1 – cosφ = 0; 2 – cosφ = 0,8; 3 – cosφ = 1

Рис. 2. Конструкция интегрального трехуровневого модуля (а) и трехуровневого инвертора напряжения с системой управления (б)

аб

Рис. 4. Проблема статических перенапряжений

втрехуровневой схеме: влияние сопротивлений утечки (а)

иприменение шунтирующего резистора (б)

а

б

Рис. 9. Керамическая плата трехуровневого силового модуля (а) и ее температурное поле (б)

му перегреву подвержены внешние силовые транзисторы Т1 и Т4.

Разброс температур между внешними и внутренними кристаллами достигает, как правило, двукратного значения (рис. 9). При минимальном коэффициенте модуляции m = 0,2 наибольшему тепловому перегреву подвержены уже внутренние силовые транзисторы Т2 и Т3.

Результаты моделирования температурных полей для рассматриваемой конструкции модуля показали, что в периферийных областях полупроводниковых чипов температура существенно меньше, чем в центре. При этом почти 80 % перепада температуры между кристаллом и средой приходится на керамический слой DBC – платы и слой пасты между основанием модуля

иохладителем, что требует высокой технологической точности посадки полупроводниковых кристаллов на основание платы.

Практическое выравнивание тепловых потерь между ключевыми элементами схемы можно обеспечить при переходе к схеме с активной фиксацией точки нейтрали транзисторами Т5 и Т6 (рис. 10).

5.Специальные требования к цепям защиты по току

инапряжению

Управление трехуровневыми схемами является более сложным по сравнению с обычными двухуровневыми. В трехуровневом варианте имеется четыре основных ключа, которые могут образовывать шестнадцать возможных состояний [6]. Однако допустимыми из них являются только шесть состояний:

1) все четыре ключа Т1…Т4 находятся в запертом состоянии;

Рис. 10. Трехуровневая схема с активной фиксацией точки нейтрали

2)один из ключей Т2 или Т3 находится в открытом состоянии;

3)одновременно в открытом состоянии находятся следующие пары ключей Т1 – Т2; Т2 – Т3; Т3 – Т4;

Остальные десять состояний основных ключей являются потенциально опасными или недопустимыми. Топология разрешенных состояний определяет специфику применения схемы защиты трехуровневого модуля от перегрузки по току, согласно которой встроенной системой контроля за напряжением насыщения ключа снабжены только драйверы внешних транзисторов Т1 и Т4. Другой особенностью трехуровневых инверторов являются цепи защиты ключевых элементов от перенапряжения. Поскольку внутренние силовые шины трехуровневой схемы должны обеспечивать двунаправленное переключение тока нагрузки, практически невозможным становится применение стандартных однонаправленных R–C–D защитных цепочек.

По этой причине наиболее перспективным представляется переход на резонансные методы коммутации в режимах нулевого тока и напряжения. Данные режимы требуют выравнивания потенциалов в точках приведенных фаз для эквивалентных полумостов трехуровневой схемы [7], что, как было показано выше, обеспечивается применением специальной схемы фиксации точки нейтрали.

ВЫВОДЫ

1.Для обеспечения балансировки напряжения на входных емкостных фильтрах рекомендовано повышение номинальной емкости конденсаторов фильтров.

2.Для ограничения статического перенапряжения на внутренних ключевых элементах схемы рекомендовано применение дополнительного шунтирующего резистора.

3.Для снижения паразитной индуктивности контуров коммутации и ограничения динамического перенапряжения на ключевых элементах схемы рекомендована конструкция на основе специальных контактных площадок на керамических платах модуля.

4. С целью уменьшения неравномерности теплового перегрева ключевых элементов рекомендована схема с активной фиксацией точки нейтрали дополнительными транзисторами.

5. Для удовлетворения специальным требованиям к цепям защиты по току и напряжению наиболее перспективным представляется переход на резонансные методы коммутации в режимах нулевого тока и напряжения.

6. Область применения трехуровневых инверторов может быть существенно расширена за счет их использования в электроприводах переменного тока с повышенными требованиями к гармоническому составу инвертора и к уровню вибрации и шума двигателя.

Библиографический список

1.Плушке Н., Грашхоф Т., Колпаков А. Специализированные модули для 3-уровневых инверторов // Силовая электроника. 2010.

№ 2. С. 44–47.

2.Си Д., Йенсен У., Рутинг Х. Специализированные модули IGBT

для 3-уровневых преобразователей на основе кристаллов 650В IGBT и ECD диодов // Компоненты и технологии. 2010. № 7.

С. 120–122.

3.Воронин И.П. Интегральный силовой модуль IGBT для трехуровневых инверторов напряжения с повышенной эффективностью преобразования электроэнергии // Силовая электроника. 2013. № 6. С. 20–26.

4.Simplified Space Vector Pulse with Modulation Algorithm for

Three Level Inverter with Neutral Point Potential Control / J. Petzold [et al.] // Research Journal of Applied Sciences. 2006. Vol. 1 (1–4). Р. 19–25.

5.Yuan X., Barbi I. Fundamentals of a new diode clamping multilevel inverter // IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS. 2000. Vol. 15. No. 4. P. 711–718.

6.Филатов В. Двух- и трехуровневые инверторы на IGBT. Перспективные решения // Силовая электроника. 2012. № 4. С. 38–41.

7.Оптимизация динамических потерь при коммутации в высоковольтных многоуровневых инверторах напряжения / П.А. Воронин, И.П. Воронин, Д.И. Панфилов, Д.В. Рожков // Изв. РАН,

Энергетика. 2014. № 6. С. 29–40.