Сверхмощные высоковольтные статические преобразователи

August 14, 2013 by admin Комментировать »

Отдельный класс преобразовательной техники составляют сверхмощные высоковольтные статические преобразователи. Эти устройства представляют собой крупногабаритные шкафы и используются, главным образом, в электроэнергетике. Примером таких преобразователей с номинальной мощностью 40 МВт могут служить приборы серии Silcovert S, производимые фирмой «ASIRobicom» (рис. 1.2.21).

Схемотехническое построение преобразователей — классическое: в своем составе они имеют выпрямительную секцию, звено постоянного

Рис. 1.2.21. Преобразователь серии Silcovert S

тока и инвертор переменного тока. Выпрямитель представляет собой управляемый мост на тиристорах, инвертор также спроектирован на основе тиристорного моста. Поскольку этот класс преобразователей обладает высоким тепловыделением, здесь зачастую недостаточным оказывается применение принудительного воздушного охлаждения. Поэтому для мощных статических преобразователей и, в частности, для преобразователей серии Silcovert S спроектирована сложная система водяного охлаждения. Вода, предназначенная для циркуляции в первичном охлаждающем контуре, деионизируется и в нее добавляется гликоль (при работе преобразователя в условиях минусовых температур). Циркуляция воды в первичном контуре происходит по замкнутому циклу. Вторичный контур охлаждения здесь комбинированный, воздушно-водяной. Он спроектирован с использованием как вентиляторов, так и водяных насосов. Во вторичном контуре применяется уже проточная техническая вода. На рис. 1.2.22 показана конструкция водяного охладителя силового элемента.

Основные технические характеристики преобразователя серии Silcovert S: номинальная выходная мощность — от 1 до 40 МВт; входное питающее напряжение — трехфазное, 900…6000 В; частота питающего напряжения — 50…60 Гц; регулировка выходной частоты — в пределах от 0 до 120 Гц; КПД — 98,5 %; поддержка промышленных информационных протоколов передачи данных Profibus, Modbus. Встроенные защиты: максимальная токовая защита двигателя, защита от перенапряжений и от снижения напряжения, при отказе системы охлаждения, при перегреве силовых элементов, при коротких замыканиях.

А теперь мы расскажем о некоторых отечественных серийных образцах статических преобразователей, использующихся для построения регулируемого электропривода, а также для других возможных применений.

В номенклатуре продукции НТЦ «Вектор» (г. Иваново) имеется серия статических преобразователей ЭПВ четырех исполнений. Первое исполнение предназначается для управления общепромышленными асинхронными двигателями без датчиков положения, к которым не предъявляются повышенные требования к быстродействию и точности регулирования скорости. Второе исполнение используется в высококачественном асинхронном электроприводе, третье исполнение применяется для высококачественного синхронного привода. И, наконец, четвертое исполнение разработано для применений, требующих повышенного быстродействующего реагирования на управляющие воздействия.

Технические данные преобразователей серии ЭПВ: номинальный диапазон мощностей двигателя — 2,2…75,0 кВт; входное напряжение питания — трехфазное, 380 В, частотой 48…63 Гц; выходная частота регулируется в пределах от 0 до 400 Гц.

На рис. 1.2.23 представлена функциональная схема преобразователей серии ЭПВ. Основу приборов составляет силовой модуль, который преобразует сетевое трехфазное напряжение в выходное напряжение переменной амплитуды и частоты, которое подается на электродвигатель. В составе силового модуля работают типовые узлы: трехфазный неуправляемый мостовой выпрямитель по схеме Ларионова, емкостной фильтр звена постоянного тока, трехфазный мостовой инвертор на основе IGBT-транзисторов, устройство сброса энергии при торможении (УСЭ) с внешним балластным резистором, драйверы управления IGBT-транзисторами инвертора, узел формирования сигналов защит, узел первичного заряда емкостного фильтра. Преобразователь оснащен разветвленной датчиковой системой с гальваническими развязками входных и выходных цепей, обеспечивающей формирование сигналов обратных связей (стабилизационных сигналов). Датчик напряжения VD, состоящий из резистивного делителя и изолирующего усилителя, отслеживает величину напряжения в звене постоянного тока. Датчики CD1 и CD2, установленные в выходных фазах преобразователя, выдают информационные сигналы о выходных токах инвертора. Датчик температуры, состоящий из терморези-

стора и изолирующего усилителя, контролирует температуру радиатора силового блока. Терморезистор РТС предназначается для контроля перегрева двигателя.

Блок питания формирует вторичные напряжения для обеспечения функционирования управляющей части преобразователя. Система управления преобразователем построена на основе двух микроконтроллеров: MB90F598 (производитель — «Fujitsu») и ADMC401 (производитель — «Analog Devices»). Первый микроконтроллер является служебным и выполняет загрузку программ управления, обеспечивает коммуникационную связь с дистанционным пультом, поддерживает интерфейсы управления и реализует часть функций защиты от возникновения аварийных режимов. Второй микроконтроллер формирует алгоритмы управления преобразователем, обрабатывает сигналы датчиков, а также реализует функции быстродействующих защит.

Интерфейсный модуль предназначается для обеспечения внешнего управления преобразователем и информационного обмена с системами автоматизированного управления. Он имеет: два канала аналогового потенциального управления 0…10 В и два канала токового управления 4…20 мА с разрешающей способностью 16 бит; аналоговые выходы мониторинга внутреннего состояния прибора, вход подключения датчика температуры электродвигателя; логические входы приема дискретных сигналов управления от устройств автоматики, определяемые пользователем; импульсные выходы для подключения стрелочных измерительных приборов; транзисторные (с открытым коллектором) выходы для подключения внешних устройств автоматики и мониторинга; релейные (типа «сухой контакт») выходы; драйвер цифровой шины информационного протокола CANopen; драйвер цифровой шины RS-232 (RS-485) с поддержкой информационного протокола Modbus.

Система защит преобразователя условно разделена на две группы: быстродействующую и медленную. В первую группу входят: максимально-токовая защита преобразователя, защита от превышения максимальной температуры кристаллов модулей IGBT, защита от недопустимых отклонений питающего напряжения, защита от аварии узла сброса энергии, защита от ошибок системы управления.

Максимальная токовая защита преобразователя построена по двухуровневому принципу. Первый уровень защиты обеспечивается программно, путем сравнения мгновенных значений токов выходных фаз с максимально-возможным током IGBT-модулей. Второй уровень максимальной токовой защиты направлен на контроль степени насыщения IGBT-модулей и реализуется средствами драйверов силовых ключей. О том, как эта функция реализуется схемотехнически, мы детально поговорим в следующей главе.

Защита от превышения температуры кристаллов IGBT-модулей реализуется математически, на основе заложенной в память микроконтроллера программной модели поведения силового прибора. Регулярно выполняемый расчет статических и динамических потерь на силовых элементах, мгновенного значения перегрева каждого из шести ключей трехфазного моста позволяет оценить температуру кристалла, и при ее превышении выдать сигнал на отключение преобразователя. Исходными данными для расчета являются выходные фазные токи прибора, постоянное выпрямленное напряжение звена постоянного тока, температура корпуса IGBT-модуля и скважность сигналов ШИМ-модулятора.

Сигналом для защиты от недопустимого повышения или снижения напряжения питания служит информационный сигнал, снимаемый с датчика напряжения, установленного в звене постоянного тока. Порог срабатывания защиты от превышения напряжения установлен равным 700 В, а порог срабатывания защиты при понижении напряжения — около 15 % от номинального значения входного напряжения.

Защита от аварии узла сброса энергии выполняется путем контроля загрузки балластного резистора. Уставка защиты по этому параметру математически рассчитывается исходя из данных, введенных при настройке прибора: кратности перегрузки по мощности резистора, текущего напряжения в звене постоянного тока, сопротивления и мощности подключенного балластного резистора.

В диагностической системе преобразователя имеется еще несколько условий срабатывания защит по ошибкам в системе управления: отклонения напряжения вторичного питания цепей управления сверхдопустимых пределов, сбоя в процессорном ядре, ошибки аналогово-цифрового преобразования сигналов датчиков, ошибки энергонезависимой памяти хранения настроек, ошибки тестирования датчиков, ошибки управления по промышленному сетевому протоколу, неисправности часов реального времени, разряда батареи питания часов реального времени.

Вторая группа защит носит долговременный характер, так как в данном случае движение к возникновению аварийной ситуации происходит медленно. Наименования этих защит: температурная защита преобразователя, температурная защита двигателя, время-токовая защита двигателя.

Температурная защита преобразователя реализуется на основе сигналов датчиков температуры, установленных в силовых модулях инвертора и выпрямителя. При достижении температуры корпуса любого из модулей значения 90 °С преобразователь переходит из режима «готов» в режим «аварийный», а при превышении температуры значения 95 °С происходит блокировка и останов привода.

Температурная защита двигателя может быть включена, если в управляемый двигатель встроен датчик температуры (РТС-термистор).

Принцип работы этой защиты аналогичен принципу работы температурной защиты преобразователя, с той лишь разницей, что температурная уставка срабатывания может быть скорректирована пользователем.

Наиболее интересна для разработчика преобразовательной техники (с точки зрения ее реализации) время-токовая защита двигателя. Ее уставки программируются 5-ю параметрами, устанавливаемыми при настройке прибора. Порог активизации защиты зависит от значения установленного номинального тока двигателя и в заводских настройках составляет 100 % (параметр вводится в процентах от номинального тока). При достижении тока двигателя указанной величины преобразователь переходит из режима «готов» в режим «аварийный» и осуществляет временной контроль состояния перегрузки, ожидая ее снятия. Время контроля состояния перегрузки рассчитывается исходя из измеренных текущих значений тока фазы статора двигателя, порогового значения тока фазы статора, нормированного времени действия перегрузки (по умолчанию установлено значение 30 с) и нормированной кратности тока перегрузки (по умолчанию — 1,5). Если в течение расчетного времени ток двигателя не снижается, происходит отключение преобразователя.

Все аварийные состояния, приводящие к срабатыванию защит, фиксируются в энергонезависимой памяти преобразователя. Внешний вид преобразователей серии ЭПВ приведен на рис. 1.2.24.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты