Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 8 декабря
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика

Итоги Форума и премии «Живая электроника России - 2016»


Интервью, презентации

Ранее

Перспективы использования беспроводных ZigBee-интерфейсов в электроприводе

Внедрение беспроводных технологий является весьма перспективным направлением развития промышленных сетей. В статье сформулированы требования к беспроводным сетям в промышленности, отражены преимущества и особенности технологии ZigBee. Рассмотрены методы построения аппаратно-программных средств и решения по применению технологии ZigBee в конечных устройствах промышленного назначения.

Управление вентильным электродвигателем. Часть 2

В статье приведены краткие сведения по основам управления вентильными электродвигателями. Показаны возможные реализации систем управления с помощью аппаратных средств на примере микроконтроллеров компании Renesas. Статья в первую очередь адресована разработчикам систем, в которых автоматизированный электропривод можно построить из готовых компонентов – интеллектуальных силовых ключей (сборок) и специализированных микроконтроллеров. Основное внимание уделяется методам управления и их аппаратной реализации с помощью специализированных микроконтроллеров. В основу статьи лег фундаментальный материал [1]. Во второй ее части рассматривается построение систем управления, а также описываются иные способы модуляции.

 

26 ноября

Рациональные схемы преобразователей частоты для мощных синхронных индукторных электроприводов

В статье рассмотрен выбор рациональной силовой схемы преобразователя для мощных синхронных индукторных двигателей, отличающихся тем, что обмотка статора этих двигателей может состоять из несвязанных между собой трехфазных секций, питаемых от разных преобразователей частоты и даже от разных электрических сетей. Для таких двигателей имеется возможность увеличить мощность регулируемого электропривода за счет увеличения числа трехфазных секций обмотки статора и числа преобразователей частоты без увеличения или с минимальным увеличением напряжения обмоток статора, добиваясь на силовых приборах невысокого класса больших мощностей регулируемого электропривода при высоком КПД и низкой удельной стоимости, характерных для низковольтной преобразовательной техники. Так, при мощностях до 2500 кВт возможно создание двухсекционных (6-фазных) электроприводов с трехуровневыми мостовыми инверторами на силовых IGBT 12-го класса, с выпрямителями на приборах 12-го класса, при питании от сети 0,4 кВ с использованием стандартных силовых трансформаторов.



Р

егулируемые электроприводы переменного тока мощностью более 315 кВт обычно создаются на базе высоковольтных (более 1000 В) электродвигателей и преобразователей частоты (ПЧ). Вместе с тем возможно наращивание мощности электропривода в многофазных низковольтных (менее 1000 В) электродвигателях путем дробления мощности между статорными обмотками и применения нескольких низковольтных ПЧ. На основе синхронных индукторных двигателей (СИД) с независимым аксиальным возбуждением [1] реализованы синхронные индукторные электроприводы (СИП) с векторным управлением для механизмов бесперебойной работы, которые эксплуатируются на сетевых насосах и дутьевых вентиляторах районных тепловых станций «Коломенское» и «Жулебино» Москвы. Они обеспечивают безостановочную работу механизмов при сбоях (авариях) питающих электрических сетей или аппаратной части электропривода.
В эксплуатации находятся СИП мощностью 315, 400 и 630 кВт. Структура силовой части этих приводов показана на рис. 1. Все они включают в себя универсальную секцию ПЧ на 220 кВт (напряжение 380 В), силовая часть которого имеет классическую схему: не­управляемый выпрямитель — двухуровневый инвертор с силовыми приборами 12-го класса.

Рис. 1. Структура силовой части СИП

Существует потребность в электроприводах бесперебойной работы мощностью 800, 1250 и 2500 кВт. Однако дальнейшее увеличение мощности привода с использованием ПЧ напряжением 380 В имеет ограничение. Требуется разумное увеличение напряжения.
В статье рассматривается задача определения рациональной схемы и параметров преобразователя частоты для СИП-630, СИП-800, СИП-1250 и СИП-2500 с 6- или 12-фазным двигателем при минимальном увеличении линейного напряжения. С целью унификации целесообразно комплектовать новую линейку приводов таким же образом, как и приводы 315, 400, 630, единой секцией ПЧ. Число секций должно быть четным для подключения привода к двум электрическим сетям.

Возможные варианты комплектации: СИП-1250 состоит из двух секций по 660 кВт; СИП-2500 — из четырех таких же секций. Секции СИП-630 и СИП-800 имеют аналогичную конструкцию с СИП-1250, но с силовыми приборами на меньший номинальный ток, так что мощность секций составляет 315 и 440 кВт, соответственно.
Необходимо обоснованно выбрать силовую схему секции.
Основные требования к характеристикам секций ПЧ для СИП следующие.
1. Номинальная мощность одной секции до 660 кВт.
2. Перегрузочная способность по току 2.
3. Обеспечение трехфазного напряжения на выходе с частотой основной гармоники до 400 Гц.
4. Минимальное число силовых полупроводниковых приборов и пассивных элементов.
5. Минимальные параметры силовых фильтров по входу и выходу ПЧ.
6. Минимальная стоимость ПЧ.
7. Принудительное воздушное охлаждение.
8. Использование стандартных силовых трансформаторов.

Возможны следующие варианты построения силовой части инвертора одной мощности, реализуемые на модулях IGBT.
1. Двухуровневый инвертор (см. рис. 2).
2. Многоуровневый инвертор (см. рис. 3):
а) трехуровневый инвертор с фиксированной нулевой точкой 3L-NPC VSC;
б) трехуровневый инвертор с навесными конденсаторами 3L-FLC VSC.
3. Каскадная схема многоуровневого инвертора (см. рис. 4).

Рис. 2. Двухуровневый инвертор

                                а)

                                б)

Рис. 3. Многоуровневый инвертор

Рис. 4. Каскадная схема многоуровневого инвертора

Инвертор с навесными конденсаторами (FLC VSC) имеет по сравнению с NPC VSC при том же числе уровней вдвое большие потери переключения при одинаковой несущей частоте ШИМ и требует применения дорогих конденсаторов [2]. Поэтому этот вариант далее не рассматривается.
Основные недостатки каскадной схемы — использование нестандартного трансформатора и большее число ключей по сравнению с остальными вариантами. Это ведет к высокой стоимости оборудования и к большим габаритам. В связи с этим данная схема далее также не рассматривается.
Оставшиеся варианты требуют единой схемы построения выпрямителя.
Инвертор должен обеспечивать сравнительно большую частоту несущей ШИМ. С увеличением класса IGBT по напряжению потери переключения возрастают, поэтому при большем напряжении звена постоянного тока целесообразно увеличить число уровней инвертора до трех, что позволяет сохранить меньший класс приборов.
Уровни напряжений сетей — 0,4; 6; 10 кВ. Со стандартным трансформатором возможны следующие варианты построения 12-пульсного выпрямителя (см. рис. 5) с последовательным соединением трехфазных мостов при питании от трансформаторов с обмоткой НН на 0,4 кВ (а) либо с обмоткой НН на 0,69 кВ (б).

 

                   a)

                   б)

                   в)

Рис. 5. Варианты построения 12-пульсного выпрямителя

Рассмотрим следующие варианты.
1. Выпрямитель по схеме рис. 5а с двухуровневым инвертором.
2. Выпрямитель по схеме рис. 5а с трехуровневым инвертором.
3. Выпрямитель по схеме рис. 5б с трехуровневым инвертором.
Напряжение звена постоянного тока определяется по формуле:

Максимальный ток через ключи определяется по формуле:

где k1 — коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току (k1 = 2); k2 — коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока; Pн — мощность секции двигателя; ηн — номинальный КПД двигателя; Uф — фазное напряжение двигателя.
В таблице 1 проведено сравнение выбранных схем по основным показателям. Для всех схем приняты следующие условия и допущения.
1. В качестве ключей использовались IGBT-модули фирмы Mitsubishi Electric.
2. Рассматривается синусоидальная ШИМ напряжения.
3. Значение теплового сопротивления радиатор–среда, реализуемое при воздушном охлаждении: Rth(f-a) = 0,03°С/Вт.
4. Максимальная частота ШИМ определена из условий максимально возможной теплоотдачи коллектора IGBT:

где

— максимальная мощность потерь коллектора; Pst = UCESImγ — мощность статических потерь; Tj — максимально допустимая температура кристалла; Tа = 45°С — температура окружающей среды; Rjc — тепловое сопротивление кристалл–корпус; Rcf — тепловое сопротивление корпус–радиатор; Rfa — тепловое сопротивление ра­диатор–среда; Eon — энергия включения транзистора; Eoff — энергия выключения транзистора; k — коэффициент, учитывающий количество переключений ключей на периоде ШИМ; γ — коэффициент заполнения (скважность) ШИМ.
Обозначения таблицы: Ud — напряжение звена постоянного тока; Ku — класс напряжения модуля; Im — амплитуда тока двигателя; NИ — количество параллельных инверторов; Ic — максимальный ток через ключи; fC — максимальная частота ШИМ; Pc — мощность потерь IGBT при fC = 10 кГц; η — КПД инвертора; NK — количество ключей инвертора; P — установленная мощность ключей.
При Ud = 1100 В (схемы 1 и 2 из табл. 1) амплитудное значение тока двигателя 1840 А. Коммерчески доступных ключей на данный ток нет, поэтому используется параллельное включение двух инверторов (см. рис. 6в).
При этом ток ключа Ik ≥ IC/(kН · 2), где kн — коэффициент, учитывающий неравномерность загрузки инверторов.
При Ud = 1900 В реализуются варианты с одним инвертором (схема 3) и двумя параллельными инверторами (схема 4).

                            а)

                                          б)

Рис. 6. Оптимальная схема для решения поставленных задач

Анализ полученной таблицы свидетельствует о следующем.
В двухуровневом инверторе (схема 1) применение высоковольтных ключей, имеющих большие потери переключения, не позволяет обеспечить требуемую частоту ШИМ.
В трехуровневых инверторах имеются следующие особенности:
– схема 3 отличается большими потерями на ключ; отвести такую мощность потерь от ключа с использованием воздушного охлаждения затруднительно;
– схема 2 в сравнении со схемой 4 имеет более высокий КПД из-за применения ключей более низкого класса напряжения.
Следовательно, наиболее подходящей для решения поставленных задач следует признать схему 2, приведенную на рисунках 2а и 5а.
Секция ПЧ мощностью 660 кВт для выбранной схемы имеет два параллельных инвертора. Секции ПЧ мощностью 440 и 315 кВт для СИП-800 и СИП-630 можно комплектовать одним инвертором. Результаты расчетов для этих мощностей приведены в таблице 2.

Табл. 2. Результаты расчетов мощностей для секций ПЧ

Секция

1с, А

Модуль

fc, кГц

Pс, кВт

η

440 кВт

1230

CM1400DU-24NF

17,2

1

0,972

315 кВт

890

CM900DU-24NF

21,2

0,73

0,971

Литература

1. Бесконтактная индукторная вентильная машина с электромагнитным возбуждением Патент на изобретение №2277284 (RU 2277284 C2). МПК Н02К 19/10, Н02К 29/00. Бюл. №15. 2006.
2. “Converters for Medium Voltage Applications” Seyed Saeed Fazel. Dotoringenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation. Technische Universitat Berlin. Berlin 2007.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Вадим Остриров, д.т.н., профессор МЭИ, ген. директор ООО «НПП «ЦИКЛ ПЛЮС»; Константин Мильский, маг.т.н., аспирант МЭИ .



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 
 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2016 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты