RU2414043C1 - Non-transformer frequency converter for controlled medium voltage electric drive - Google Patents

Non-transformer frequency converter for controlled medium voltage electric drive Download PDF

Info

Publication number
RU2414043C1
RU2414043C1 RU2010111413/07A RU2010111413A RU2414043C1 RU 2414043 C1 RU2414043 C1 RU 2414043C1 RU 2010111413/07 A RU2010111413/07 A RU 2010111413/07A RU 2010111413 A RU2010111413 A RU 2010111413A RU 2414043 C1 RU2414043 C1 RU 2414043C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
inverter
phase
output
voltage
neutral
Prior art date
Application number
RU2010111413/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Георгий Маркович Мустафа (RU)
Георгий Маркович Мустафа
Сергей Петрович Демчук (RU)
Сергей Петрович Демчук
Юрий Михайлович Сеннов (RU)
Юрий Михайлович Сеннов
Александр Дмитриевич Ильинский (RU)
Александр Дмитриевич Ильинский
Original Assignee
Георгий Маркович Мустафа
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Георгий Маркович Мустафа filed Critical Георгий Маркович Мустафа
Priority to RU2010111413/07A priority Critical patent/RU2414043C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2414043C1 publication Critical patent/RU2414043C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: non-transformer frequency converter for controlled electric drive for networks with insulated neutral of class 6, 10 kV and more includes rectifier, three-phase voltage inverter with control unit of width modulation, capacitor connected to the direct current link of inverter, output LC filter, sensor of phase-to-phase voltages and control of phase-to-phase voltages, capacitor bank of LC filter, which is divided into two unequal parts. The main part (95% of total capacity or more) consists of capacitors connected between output phases of inverter and ungrounded. Small part is connected to output phases of inverter as per star circuit the neutral of which is grounded; to direct current link of inverter there connected are two magnetically connected windings arranged on common ferromagnetic core. Outputs of the above windings are connected so that when operating current of frequency converter flows via windings, magnetomotive forces of windings are opposite directed. To non-transformer frequency converter there introduced is voltage sensor of the above small part of capacitor bank of LC filter, damping neutral displacement control and adder, which are connected as it is specified in the request materials. ^ EFFECT: reducing the costs for current operational service, enlarging service life of converter, drive electric motor and supply main cables. ^ 2 cl, 6 dwg

Description

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, преимущественно к мощным электроприводам, применяемым в средневольтных (6…35 кВ) трехфазных электрических сетях.The claimed technical solution relates to electrical engineering, mainly to powerful electric drives used in medium-voltage (6 ... 35 kV) three-phase electrical networks.

Схема мощных электроприводов с электродвигателями на напряжение 6 (10) кВ до недавнего времени строилась таким образом: питающая сеть 6 (10) кВ - понижающий трансформатор - выпрямитель - инвертор - повышающий силовой трансформатор - электродвигатель.Until recently, the scheme of powerful electric drives with electric motors for a voltage of 6 (10) kV was built in this way: a supply network of 6 (10) kV - a step-down transformer - a rectifier - an inverter - a step-up power transformer - an electric motor.

Создание полупроводниковых приборов (IGCT и IGBT) на достаточно высокие напряжения позволило применять схемы преобразователя без понижающего и повышающего силовых трансформаторов, являющихся дорогими, материалоемкими и крупногабаритными устройствами. В таких схемах выпрямитель подключен непосредственно (или через LC-фильтр) к питающей сети, а электродвигатель привода подключен, как правило, через LC-фильтр к выходу инвертора. Особенностью таких схем, обусловленной дискретностью переключения вентилей как выпрямителя, так и инвертора, является наличие скачков напряжения значительной величины (соизмеримых с фазным напряжением), что приводит к перепадам напряжения между нейтралями трехфазных систем напряжений питающей сети и выходных напряжений инвертора. Вследствие этого вся трехфазная обмотка электродвигателя, подключенная к инвертору, испытывает перепады напряжения с крутым фронтом по отношению к «земле». Результатом этого является ускоренный износ изоляции и подшипников электродвигателей, вследствие протекания токов по паразитным емкостям электродвигателя. Применение входного трансформатора решает эту проблему, однако, как уже отмечено выше, сопряжено с большими дополнительными затратами.The creation of semiconductor devices (IGCT and IGBT) for sufficiently high voltages made it possible to use converter circuits without step-down and step-up power transformers, which are expensive, material-intensive, and large-sized devices. In such schemes, the rectifier is connected directly (or through an LC filter) to the mains, and the drive motor is connected, as a rule, through an LC filter to the output of the inverter. A feature of such schemes, due to the discrete switching of the valves of both the rectifier and the inverter, is the presence of voltage surges of a significant magnitude (commensurate with the phase voltage), which leads to voltage drops between the neutrals of the three-phase voltage systems of the supply network and the output voltage of the inverter. As a result of this, the entire three-phase motor winding connected to the inverter experiences voltage drops with a steep front with respect to the ground. The result is accelerated wear of the insulation and bearings of the electric motors, due to the flow of currents through the stray capacitances of the electric motor. The use of an input transformer solves this problem, however, as already noted above, involves a large additional cost.

Известно техническое решение [1], в котором предложено ввести дополнительные элементы выходного фильтра и заземлить нейтраль «звезды» конденсаторов выходного LC-фильтра. Данное техническое решение [1] является наиболее близким к заявляемому техническому решению по своей сущности и техническому результату.A technical solution is known [1], in which it is proposed to introduce additional elements of the output filter and ground the neutral of the "star" of the capacitors of the output LC filter. This technical solution [1] is the closest to the claimed technical solution in its essence and technical result.

Однако техническое решение [1], к сожалению, не приемлемо в электрических сетях с изолированной нейтралью источника. На основании утвержденного в 1921 году плана ГОЭЛРО в России в электрических сетях от 6 до 35 кВ (средневольтных) применяется электрооборудование, нейтрали которого не присоединены к заземляющим устройствам или присоединены к ним через устройства измерения, защиты, сигнализации с большим сопротивлением. Такие сети называются: «Сети с изолированной нейтралью» (ГОСТ 24291-90 ("Электрическая часть электростанции и электрической сети. Термины и определения")). В этих сетях допускается работа оборудования при однофазном замыкании на землю, но ток замыкания при этом контролируется. При токе замыкания на землю более 5 А срабатывает защита на отключение электропривода от энергосистемы.However, the technical solution [1], unfortunately, is not acceptable in electric networks with an isolated source neutral. On the basis of the GOELRO plan approved in 1921 in Russia, electrical equipment from 6 to 35 kV (medium voltage) is used in electrical equipment whose neutrals are not connected to grounding devices or connected to them through measurement, protection, and signaling devices with high resistance. Such networks are called: "Networks with isolated neutral" (GOST 24291-90 ("Electrical part of the power plant and electric network. Terms and definitions")). In these networks, the equipment is allowed to operate with a single-phase earth fault, but the fault current is monitored. With an earth fault current of more than 5 A, a protection is triggered to disconnect the electric drive from the power system.

При применении схемы электропривода [1] в сетях с изолированной нейтралью значение тока от источника на землю в рабочем режиме будет значительно больше порога срабатывания защиты, как вследствие электрической связи AN, так и вследствие большой емкости заземленного выходного фильтра, что вызовет срабатывание вышеупомянутой защиты. Кроме того, элементы выходного LC-фильтра должны быть рассчитаны на работу при напряжении, в 1,73 раза больше рабочего (в случае однофазного замыкания на землю), что значительно увеличивает их массогабаритные показатели и стоимость.When applying the drive circuit [1] in networks with isolated neutral, the value of the current from the source to ground in the operating mode will be significantly higher than the protection threshold, due to the electrical connection AN and due to the large capacity of the grounded output filter, which will trigger the aforementioned protection. In addition, the elements of the output LC filter should be designed to operate at a voltage of 1.73 times the working one (in the case of a single-phase earth fault), which significantly increases their overall dimensions and cost.

Таким образом, при создании систем электропривода, питающихся от средневольтной сети с изолированной нейтралью без входного силового трансформатора требуется специальное техническое решение.Thus, when creating electric drive systems powered by a medium-voltage network with an isolated neutral without an input power transformer, a special technical solution is required.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в устранении высокочастотных пульсаций напряжений электродвигателя как межфазных, так и напряжений фаз относительно «земли» при одновременном устранении вышеуказанных недостатков, присущих схеме электропривода [1].The problem to which the claimed technical solution is directed is to eliminate the high-frequency ripple of the voltage of the electric motor both interphase and phase voltages relative to the "earth" while eliminating the above disadvantages inherent in the drive circuit [1].

При решении поставленной задачи достигаемый технический результат заключается в снижении уровня затрат на текущее эксплуатационное обслуживание, увеличении ресурса работы преобразователя, приводного электродвигателя и кабелей питающей сети.In solving this problem, the technical result achieved is to reduce the level of costs for routine maintenance, increase the life of the converter, drive motor and power cable.

В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается тем, что в известном бестрансформаторном преобразователе частоты для регулируемого электропривода для сетей с изолированной нейтралью класса 6, 10 кВ и более, содержащем выпрямитель (диодный или тиристорный), трехфазный инвертор напряжения, выполненный на основе полностью управляемых полупроводниковых ключей (IGBT или IGCT), с управляющим блоком широтной модуляции, конденсатор, подключенный в звено постоянного тока инвертора, выходной LC-фильтр, датчик междуфазных напряжений и регулятор междуфазных напряжений, согласно заявляемому техническому решению конденсаторная батарея LC-фильтра разделена на две неравные части, основная часть (95% общей емкости или более) состоит из конденсаторов, включенных между выходными фазами инвертора и изолированных от «земли», а малая часть подключена к выходным фазам инвертора по схеме «звезда», нейтраль которой подключена к «земле»; в звено постоянного тока инвертора подключены две размещенные на общем ферромагнитном сердечнике магнитосвязанные обмотки, первая обмотка подключена между положительными выводами выпрямителя и инвертора, вторая обмотка подключена между отрицательными выводами выпрямителя и инвертора, причем выводы упомянутых обмоток подключены таким образом, что при протекании по обмоткам рабочего тока преобразователя частоты магнитодвижущие силы обмоток направлены встречно.In accordance with the proposed technical solution, this problem is solved by the fact that in the well-known transformerless frequency converter for an adjustable electric drive for networks with an isolated neutral class of 6, 10 kV or more, containing a rectifier (diode or thyristor), a three-phase voltage inverter made on the basis of fully controllable semiconductor switches (IGBT or IGCT), with a control module for latitudinal modulation, a capacitor connected to the DC link of the inverter, an output LC filter, an interphase sensor voltage and interphase voltage regulator, according to the claimed technical solution, the LC filter capacitor bank is divided into two unequal parts, the main part (95% of the total capacity or more) consists of capacitors connected between the output phases of the inverter and isolated from the ground, and a small part connected to the output phases of the inverter according to the "star" circuit, the neutral of which is connected to the "earth"; two magnetically connected windings located on a common ferromagnetic core are connected to the inverter’s DC link, the first winding is connected between the positive terminals of the rectifier and inverter, the second winding is connected between the negative terminals of the rectifier and inverter, and the terminals of the mentioned windings are connected so that when the operating current flows through the windings the frequency converter, the magnetomotive forces of the windings are directed in the opposite direction.

Кроме этого в соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается тем, что в известном бестрансформаторном преобразователе частоты для регулируемого электропривода согласно заявляемому техническому решению в него введен датчик напряжения вышеупомянутой малой части конденсаторной батареи LC-фильтра, демпфирующий регулятор смещения нейтрали и сумматор; сигнал с выхода датчика напряжения основной части конденсаторной батареи LC-фильтра подается на один из двух входов регулятора междуфазного напряжения, на другой вход которого подается сигнал уставки междуфазного напряжения, выход регулятора междуфазного напряжения соединен с одним из двух входов сумматора; сигнал с выхода датчика напряжения малой части конденсаторной батареи LC-фильтра подается на вход демпфирующего регулятора смещения нейтрали, выход которого соединен с другим входом сумматора, выход которого соединен с управляющим входом блока широтной модуляции трехфазного инвертора напряжения.In addition, in accordance with the proposed technical solution, this problem is solved by the fact that in the known transformerless frequency converter for an adjustable drive according to the claimed technical solution, a voltage sensor of the aforementioned small part of the LC filter capacitor bank, a damping neutral bias controller and an adder are introduced into it; the signal from the output of the voltage sensor of the main part of the LC-filter capacitor bank is fed to one of the two inputs of the phase-to-phase voltage regulator, to the other input of which a signal to set the phase-to-phase voltage is supplied, the output of the phase-voltage regulator is connected to one of the two inputs of the adder; the signal from the output of the voltage sensor of a small part of the LC filter capacitor bank is fed to the input of the neutral damping regulator, the output of which is connected to the other input of the adder, the output of which is connected to the control input of the breadth modulation unit of the three-phase voltage inverter.

На фиг.1 представлена электрическая схема бестрансформаторного преобразователя частоты для регулируемого электропривода, выполненного согласно заявляемому техническому решению с использованием в инверторе последовательно соединенных IGBT в качестве ключей.Figure 1 presents the electrical diagram of a transformerless frequency converter for an adjustable drive made in accordance with the claimed technical solution using IGBTs connected in series as keys in the inverter.

На фиг.2 представлена электрическая схема бестрансформаторного преобразователя частоты для регулируемого электропривода, выполненного согласно заявляемому техническому решению с использованием трехуровневого инвертора на IGBT.Figure 2 presents the electrical diagram of a transformerless frequency converter for an adjustable drive made in accordance with the claimed technical solution using a three-level inverter on IGBT.

На фиг.3 представлена электрическая схема бестрансформаторного преобразователя частоты для регулируемого электропривода, выполненного согласно заявляемому техническому решению с применением регуляторов междуфазного напряжения и демпфирующего регулятора смещения нейтрали.Figure 3 presents the electrical diagram of a transformerless frequency converter for an adjustable drive made in accordance with the claimed technical solution using interphase voltage regulators and a damping neutral bias regulator.

На фиг.4 представлена схема замещения «по нейтрали» бестрансформаторного преобразователя частоты для регулируемого электропривода.Figure 4 presents the equivalent circuit "neutral" transformerless frequency converter for an adjustable drive.

На фиг.5 представлены осциллограммы выходного напряжения инвертора при отсутствии синфазного реактора.Figure 5 presents the waveform of the output voltage of the inverter in the absence of a common-mode reactor.

На фиг.6 представлена осциллограмма выходного напряжения инвертора при подключенном синфазном реакторе.Figure 6 presents the waveform of the output voltage of the inverter when connected in-phase reactor.

Устройство заявляемого технического решения в его статическом состоянии может быть описано по схеме на фиг.1. К питающей средневольтной сети с изолированной нейтралью 1 через дроссели фильтра 2 подключен трехфазный мостовой выпрямитель 3, каждый из шести вентилей которого состоит из нескольких последовательно подключенных полупроводниковых ключей 4. Тип полупроводниковых ключей 4 - диоды, тиристоры, GTO, IGCT или IGBT, а также число последовательно подключенных полупроводниковых ключей зависит от условий применения электропривода. К выходным зажимам постоянного тока выпрямителя 4 через синфазный реактор 5 подключен трехфазный мостовой инвертор 6, каждый из шести вентилей которого состоит из нескольких последовательно подключенных полупроводниковых ключей 7 (GTO, IGCT или IGBT), число которых также зависит от условий применения электропривода. В звено постоянного тока инвертора 6 подключен конденсатор 8. В звено постоянного тока инвертора 6 также могут быть подключены сглаживающие дроссели (на фиг.1 не показаны). К выходу инвертора 6 подключен электродвигатель 12 через LC-фильтр, состоящий из дросселей 9 и двух частей (групп) конденсаторов, причем основная часть 10 (95% общей емкости или более) включена между выходными фазами инвертора 6 и изолирована от «земли», а малая часть 11 подключена к выходным фазам инвертора 6 по схеме «звезда», нейтраль которой подключена к «земле». На схеме штриховыми линиями изображены также паразитные емкости 13 питающих кабелей относительно «земли».The device of the claimed technical solution in its static state can be described by the scheme in figure 1. A three-phase bridge rectifier 3 is connected to the supply medium-voltage network with isolated neutral 1 through the inductors of filter 2, each of the six gates of which consists of several series-connected semiconductor switches 4. The type of semiconductor switches 4 is diodes, thyristors, GTO, IGCT or IGBT, as well as a number series-connected semiconductor switches depends on the conditions of use of the electric drive. A three-phase bridge inverter 6 is connected to the DC output terminals of the rectifier 4 through an in-phase reactor 5, each of the six gates of which consists of several series-connected semiconductor switches 7 (GTO, IGCT or IGBT), the number of which also depends on the conditions of use of the electric drive. A capacitor 8 is connected to the DC link of the inverter 6. Smoothing chokes can also be connected to the DC link of the inverter 6 (not shown in FIG. 1). An electric motor 12 is connected to the output of the inverter 6 through an LC filter consisting of chokes 9 and two parts (groups) of capacitors, the main part 10 (95% of the total capacity or more) connected between the output phases of the inverter 6 and isolated from the ground, and a small part 11 is connected to the output phases of the inverter 6 according to the "star" circuit, the neutral of which is connected to the "earth". The dashed lines also depict stray capacitances 13 of the supply cables relative to the “ground”.

На фиг.2 представлена аналогичная схема, в которой инвертор 6 выполнен с использованием трехуровневого инвертора на IGBT.Figure 2 presents a similar circuit in which the inverter 6 is made using a three-level inverter on the IGBT.

Дополнительно устройство заявляемого технического решения в его статическом состоянии может быть описано по схеме на фиг.3, на которой изображена структурная схема управления инвертором 6. Сигнал 14 с выхода датчика напряжения (датчик на схеме не показан) основной части 10 конденсаторной батареи LC-фильтра подается на один из двух входов регулятора 15 междуфазного напряжения, на другой вход которого подается сигнал 16 уставки междуфазного напряжения, выход регулятора 15 междуфазного напряжения соединен с одним из двух входов сумматора 17; сигнал 18 с выхода датчика напряжения (датчик не показан) малой части 11 конденсаторной батареи LC-фильтра подается на вход демпфирующего регулятора 19 смещения нейтрали, выход которого соединен с другим входом сумматора 17, выход которого соединен с управляющим входом блока 20 широтной модуляции инвертора 6.Additionally, the device of the claimed technical solution in its static state can be described according to the diagram in Fig. 3, which shows the structural diagram of the control of the inverter 6. The signal 14 from the output of the voltage sensor (the sensor is not shown in the diagram) of the main part 10 of the LC filter filter capacitor bank is supplied to one of the two inputs of the interphase voltage regulator 15, to the other input of which a signal 16 of the interphase voltage setting is supplied, the output of the interphase voltage regulator 15 is connected to one of the two inputs of the adder 17; a signal 18 from the output of the voltage sensor (sensor not shown) of a small part 11 of the LC filter capacitor bank is fed to the input of the neutral bias damping controller 19, the output of which is connected to another input of the adder 17, the output of which is connected to the control input of the inverter 6 wide-modulation block 20.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Работа выпрямителя 3 и широтно-модулированного инвертора 6 происходит известным образом и не требует специальных пояснений. В основных процессах синфазный реактор 5 не участвует, т.к. при протекании по его обмоткам рабочего тока преобразователя частоты магнитодвижущие силы обмоток направлены встречно и компенсируют действие друг друга. Фильтрация главных составляющих напряжения осуществляется элементами LC-фильтра аналогично тому, как это происходит в любой схеме преобразователя с сетевым трансформатором.The operation of the rectifier 3 and the width-modulated inverter 6 occurs in a known manner and does not require special explanations. In the main processes in-phase reactor 5 is not involved, because when the working current of the frequency converter flows through its windings, the magnetomotive forces of the windings are directed in the opposite direction and compensate for the effect of each other. Filtration of the main components of the voltage is carried out by the elements of the LC filter in the same way as it happens in any converter circuit with a network transformer.

Как уже отмечено выше, переключения вентилей выпрямителя 3 и инвертора 6 вызывают перепады напряжения между нейтралями трехфазных систем напряжений питающей сети 1 и выходных напряжений инвертора 6. Для рассмотрения процессов такого рода целесообразно использовать однолинейную схему замещения преобразователя частоты «по нейтрали», представленную на фиг.4, на которой приняты следующие обозначения:As already noted above, switching the rectifier 3 and inverter 6 valves causes voltage drops between the neutrals of the three-phase voltage systems of the supply network 1 and the output voltages of the inverter 6. To consider processes of this kind, it is advisable to use the single-line equivalent circuit of the frequency converter “in neutral” shown in FIG. 4, which adopted the following notation:

1 - питающая трехфазная сеть,1 - power three-phase network,

3 - мостовой трехфазный выпрямитель, создающий ЭДС Ев,3 - bridge three-phase rectifier, creating EMF Ev,

5 - синфазный реактор,5 - in-phase reactor,

6 - трехфазный мостовой инвертор, создающий ЭДС Еи,6 - three-phase bridge inverter, creating EMF Eu,

11 - эквивалентная емкость малой части 11 конденсаторной батареи LC-фильтра,11 is the equivalent capacity of a small part 11 of the LC filter capacitor bank,

12 - эквивалентная паразитная емкость электродвигателя 12 относительно «земли»,12 - equivalent stray capacitance of the electric motor 12 relative to the "ground",

13 - паразитные емкости 13 питающих кабелей относительно «земли».13 - parasitic capacitance 13 of the supply cable relative to the "ground".

В схеме на фиг.4 действуют две нелинейные ЭДС Ев и Еи, вводимые в схему замещения для представления процессов переключения вентилей выпрямителя 3 и инвертора 6. Если не принять специальных мер, их действие может приводить к протеканию замыкающегося по «земле» тока через заземленные емкости конденсаторов LC-фильтра, паразитные емкости электродвигателя 12 и паразитные емкости 13 питающих кабелей относительно «земли». Как уже отмечено выше, действие этого тока вызывает ускоренный износ изоляции и подшипников электродвигателей, а также может приводить к нежелательному (ложному) срабатыванию защиты, контролирующей ток замыкания на землю.In the circuit of FIG. 4, there are two non-linear EMFs Ev and Eu introduced into the equivalent circuit to represent the switching processes of the rectifier 3 and inverter 6 valves. If special measures are not taken, their action can lead to the passage of a current that is closed along the ground through grounded capacitors LC filter capacitors, parasitic capacitances of the electric motor 12 and parasitic capacitances 13 of the supply cables relative to the "ground". As noted above, the action of this current causes accelerated wear of the insulation and bearings of electric motors, and can also lead to undesirable (false) operation of the protection that controls the earth fault current.

Для ограничения величины этого тока в заявляемом техническом решении в звено постоянного тока инвертора 6 введен синфазный реактор 5 и конденсаторная батарея LC-фильтра разделена на две части, причем основная часть 10 (95% общей емкости или более) изолирована от «земли», а малая часть 11 соединена в «звезду» с заземленной нейтралью. Как известно, формула коэффициента передачи фильтра нижних частот имеет вид: K(ω)=1/[1-(ω/ω0)2], где

Figure 00000001
- резонансная частота LC-фильтра, а характеристическое сопротивление фильтра выражается формулой:
Figure 00000002
.To limit the magnitude of this current in the claimed technical solution, a common-mode reactor 5 is introduced into the DC link of the inverter 6 and the LC filter capacitor bank is divided into two parts, the main part 10 (95% of the total capacity or more) isolated from the ground, and a small part 11 is connected in a "star" with a grounded neutral. As you know, the formula for the transmission coefficient of the low-pass filter has the form: K (ω) = 1 / [1- (ω / ω 0 ) 2 ], where
Figure 00000001
is the resonant frequency of the LC filter, and the characteristic resistance of the filter is expressed by the formula:
Figure 00000002
.

Фильтрация по нейтрали осуществляется за счет сочетания большой индуктивности синфазного реактора 5 (равной индуктивности холостого хода трансформатора) и малой емкости 11. Достаточно небольшой емкости 11, чтобы получить достаточно хорошую фильтрацию напряжения нейтрали.Filtering by neutral is carried out by combining a large inductance in-phase reactor 5 (equal to the inductance of the transformer idle) and a small capacity 11. A small enough capacity 11 to get a good enough filtering of the neutral voltage.

Рассмотрим пример практической реализации. Например, для преобразователя мощностью 630 кВт значение емкости основной части 10 конденсаторной батареи LC-фильтра составляет около 60 мкФ.Consider an example of practical implementation. For example, for a 630 kW inverter, the capacitance value of the main part 10 of the LC filter capacitor bank is about 60 μF.

Если применить синфазный реактор 5 с индуктивностью Lc=2,5 Гн и конденсаторы для малой части 11 с суммарной емкостью См=2 мкФ, то для этих значений получим:If we apply a common-mode reactor 5 with an inductance Lc = 2.5 GH and capacitors for a small part of 11 with a total capacitance Cm = 2 μF, then for these values we get:

ω0≈446 рад/сек и f0≈71 Гц.ω 0 ≈446 rad / s and f 0 ≈71 Hz.

Основная частота пульсаций ЭДС нейтрали выпрямителя 3 составляет f1=150 Гц (ω1=2πf1=942 рад/сек), что в 2,11 раза превосходит значение ω0.The main pulsation frequency of the EMF of the neutral of rectifier 3 is f1 = 150 Hz (ω1 = 2πf1 = 942 rad / s), which is 2.11 times higher than the value of ω 0 .

При этом значение К(ω1) составит: К(ω1)≈0,28, что обеспечивает удовлетворительную фильтрацию.The value of K (ω1) is: K (ω1) ≈0.28, which ensures satisfactory filtration.

Очевидно, что еще сильнее будет ослаблено влияние переключений вентилей инвертора 6, осуществляемое, как правило, со значительно большей частотой (f2≥1000 Гц).It is obvious that the influence of switching the valves of the inverter 6, carried out, as a rule, with a much higher frequency (f2≥1000 Hz) will be even more attenuated.

Для иллюстрации приведены реальные осциллограммы, полученные при испытаниях электропривода средневольтного электродвигателя (6 кВ) мощностью 630 кВт.For illustration, real oscillograms are shown, obtained during tests of an electric drive of a medium voltage electric motor (6 kV) with a capacity of 630 kW.

На фиг.5 представлены осциллограммы выходного напряжения инвертора 6 при отсутствии синфазного реактора 5 (синфазный реактор закорочен). Отчетливо видны выбросы напряжения значительной величины даже в области перехода кривой напряжения через нулевое значение.Figure 5 shows the waveforms of the output voltage of the inverter 6 in the absence of an in-phase reactor 5 (in-phase reactor is shorted). Voltage surges of a significant magnitude are clearly visible even in the region where the voltage curve passes through a zero value.

На фиг.6 представлена осциллограмма выходного напряжения инвертора 6 при подключенном синфазном реакторе 5. Отсутствие выбросов напряжения свидетельствует об эффективности применения синфазного реактора.Figure 6 presents the waveform of the output voltage of the inverter 6 when connected in-phase reactor 5. The absence of voltage spikes indicates the effectiveness of the common-mode reactor.

Характеристическое сопротивление фильтра:

Figure 00000003
, что обеспечивает ограничение тока, протекающего по «земле» на уровне существенно ниже порога срабатывания защиты, контролирующей ток замыкания на землю.Filter Characteristic Resistance:
Figure 00000003
, which ensures the limitation of the current flowing along the "ground" at a level significantly lower than the threshold of the protection that controls the earth fault current.

В нормальных режимах фазное напряжение на электродвигателе 12 имеет уровень в 1,73 раза меньше линейного напряжения и синусоидально по форме за счет действия фильтра (Lc, См).In normal conditions, the phase voltage on the electric motor 12 has a level of 1.73 times less than the linear voltage and is sinusoidal in shape due to the action of the filter (Lc, Cm).

В особом режиме, когда одна из фаз питающей сети 1 замкнута на землю, а преобразователь должен продолжать работу, напряжение на конденсаторах малой группы 11 поднимается до уровня линейного напряжения. Для обеспечения их работоспособности они должны быть выбраны на мощность, в 3 раза превосходящую их номинальную мощность. Однако поскольку емкость этих конденсаторов чрезвычайно мала в сравнении с емкостью конденсаторов основной группы 10, это практически не отражается на увеличении стоимости преобразователя в целом.In a special mode, when one of the phases of the supply network 1 is shorted to ground, and the converter must continue to operate, the voltage across the capacitors of small group 11 rises to the level of the line voltage. To ensure their performance, they must be selected for a power 3 times higher than their rated power. However, since the capacitance of these capacitors is extremely small in comparison with the capacitance of the capacitors of the main group 10, this practically does not affect the increase in the cost of the converter as a whole.

В некоторых случаях при высокой добротности колебательного контура нейтрали, что характерно для мощных электроприводов, в преобразователе частоты может потребоваться дополнительное воздействие, подавляющее переходные колебания на нейтрали и тем самым ослабляющее негативное влияние переключений вентилей выпрямителя 3 и инвертора 6. В этом случае, как изображено на фиг.3, в схему управления инвертором 6 вводится датчик напряжения (не показан) вышеупомянутой малой части конденсаторной батареи LC-фильтра, сигнал которого поступает на вход демпфирующего регулятора 19 смещения нейтрали, действующего аналогично основному регулятору междуфазного напряжения 15. Выходные сигналы демпфирующего регулятора 19 и регулятора междуфазного напряжения 15 поступают на вход сумматора 17, выход которого соединен с управляющим входом блока широтной модуляции трехфазного инвертора 6 напряжения. В напряжение широтно-модулированного инвертора 6 при этом вносится дополнительная нейтральная составляющая, действующая в противофазе с переходными колебаниями нейтрали и тем самым демпфирующая их.In some cases, with a high quality factor of the neutral neutral oscillating circuit, which is typical for high-power electric drives, an additional effect may be required in the frequency converter, which suppresses transient vibrations on the neutral and thereby attenuates the negative effect of switching the rectifier 3 and inverter 6 valves. In this case, as shown in figure 3, in the control circuit of the inverter 6 is introduced a voltage sensor (not shown) of the aforementioned small part of the capacitor bank of the LC filter, the signal of which is fed to the input d the neutral bias damping controller 19, which acts similarly to the main interphase voltage regulator 15. The output signals of the damping regulator 19 and the interphase voltage regulator 15 are fed to the input of the adder 17, the output of which is connected to the control input of the breadth modulation unit of the three-phase voltage inverter 6. In this case, an additional neutral component is introduced into the voltage of the width-modulated inverter 6, acting in antiphase with transient neutral oscillations and thereby damping them.

Таким образом, при вышеуказанном исполнении заявляемого устройства обеспечивается устранение высокочастотных пульсаций напряжений электродвигателя, как межфазных, так и напряжений фаз относительно «земли».Thus, with the above performance of the claimed device, the elimination of high-frequency ripple voltage of the motor, both interphase and phase voltage relative to the "ground".

Источники информацииInformation sources

1. Patent USA, Multifunction Power Converter, Pub. No.: US 2005/0174812 A1, Pub. Date: Aug. 11, 2005, Int. Cl.7 H02J 1/02.1. Patent USA, Multifunction Power Converter, Pub. No .: US 2005/0174812 A1, Pub. Date: Aug. 11, 2005, Int. Cl. 7 H02J 1/02.

Claims (2)

1. Бестрансформаторный преобразователь частоты для регулируемого электропривода для сетей с изолированной нейтралью класса 6,10 кВ и более, содержащий выпрямитель (диодный или тиристорный), трехфазный инвертор напряжения, выполненный на основе полностью управляемых полупроводниковых ключей (IGBT или IGCT), с управляющим блоком широтной модуляции, конденсатор, подключенный в звено постоянного тока инвертора, выходной LC-фильтр, датчик междуфазных напряжений и регулятор междуфазных напряжений, отличающийся тем, что конденсаторная батарея LC-фильтра разделена на две неравные части, основная часть (95% от общей емкости или более) состоит из конденсаторов, включенных между выходными фазами инвертора и изолированных от «земли», а малая часть подключена к выходным фазам инвертора по схеме «звезда», нейтраль которой подключена к «земле»; в звено постоянного тока инвертора подключены две размещенные на общем ферромагнитном сердечнике магнитосвязанные обмотки, первая обмотка подключена между положительными выводами выпрямителя и инвертора, вторая обмотка подключена между отрицательными выводами выпрямителя и инвертора, причем выводы упомянутых обмоток подключены таким образом, что при протекании по обмоткам рабочего тока преобразователя частоты магнитодвижущие силы обмоток направлены встречно.1. A transformerless frequency converter for a controlled electric drive for networks with an isolated neutral class of 6.10 kV or more, containing a rectifier (diode or thyristor), a three-phase voltage inverter, made on the basis of fully controllable semiconductor switches (IGBT or IGCT), with a control unit modulation, a capacitor connected to the inverter DC link, an output LC filter, an interphase voltage sensor and an interphase voltage regulator, characterized in that the LC-phi capacitor bank тра is divided into two unequal parts, the main part (95% of the total capacity or more) consists of capacitors connected between the output phases of the inverter and isolated from the “earth”, and a small part is connected to the output phases of the inverter according to the “star” circuit, the neutral of which connected to the "earth"; two magnetically connected windings located on a common ferromagnetic core are connected to the inverter’s DC link, the first winding is connected between the positive terminals of the rectifier and inverter, the second winding is connected between the negative terminals of the rectifier and inverter, and the terminals of the mentioned windings are connected so that when the operating current flows through the windings the frequency converter, the magnetomotive forces of the windings are directed in the opposite direction. 2. Бестрансформаторный преобразователь частоты для регулируемого электропривода по п.1, отличающийся тем, что в него введен датчик напряжения вышеупомянутой малой части конденсаторной батареи LC-фильтра, демпфирующий регулятор смещения нейтрали и сумматор; сигнал с выхода датчика напряжения основной части конденсаторной батареи LC-фильтра подается на один из двух входов регулятора междуфазного напряжения, на другой вход которого подается сигнал уставки междуфазного напряжения, выход регулятора междуфазного напряжения соединен с одним из двух входов сумматора; сигнал с выхода датчика напряжения малой части конденсаторной батареи LC-фильтра подается на вход демпфирующего регулятора смещения нейтрали, выход которого соединен с другим входом сумматора, выход которого соединен с управляющим входом блока широтной модуляции трехфазного инвертора напряжения. 2. The transformerless frequency converter for an adjustable electric drive according to claim 1, characterized in that a voltage sensor of the aforementioned small part of the LC filter capacitor bank, a damping neutral bias controller and an adder are inserted into it; the signal from the output of the voltage sensor of the main part of the LC-filter capacitor bank is fed to one of the two inputs of the phase-to-phase voltage regulator, to the other input of which a signal to set the phase-to-phase voltage is supplied, the output of the phase-voltage regulator is connected to one of the two inputs of the adder; the signal from the output of the voltage sensor of a small part of the LC filter capacitor bank is fed to the input of the neutral damping regulator, the output of which is connected to the other input of the adder, the output of which is connected to the control input of the breadth modulation unit of the three-phase voltage inverter.
RU2010111413/07A 2010-03-26 2010-03-26 Non-transformer frequency converter for controlled medium voltage electric drive RU2414043C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010111413/07A RU2414043C1 (en) 2010-03-26 2010-03-26 Non-transformer frequency converter for controlled medium voltage electric drive

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010111413/07A RU2414043C1 (en) 2010-03-26 2010-03-26 Non-transformer frequency converter for controlled medium voltage electric drive

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2414043C1 true RU2414043C1 (en) 2011-03-10

Family

ID=46311252

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010111413/07A RU2414043C1 (en) 2010-03-26 2010-03-26 Non-transformer frequency converter for controlled medium voltage electric drive

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2414043C1 (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103929052A (en) * 2014-04-30 2014-07-16 阳光电源股份有限公司 Output filter of grid-connected inverter
RU2558749C1 (en) * 2011-09-06 2015-08-10 Ниссан Мотор Ко., Лтд. Power conversion device
US9190922B2 (en) 2011-09-06 2015-11-17 Nissan Motor Co., Ltd. Power conversion device
US9203325B2 (en) 2011-09-06 2015-12-01 Nissan Motor Co., Ltd. Power conversion device
WO2016057333A1 (en) * 2014-10-05 2016-04-14 C-Motive Technologies Inc. Electrostatic machine system and method of operation
RU2668416C1 (en) * 2017-04-06 2018-10-01 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Three-level frequency converter
RU2750582C1 (en) * 2020-07-03 2021-06-29 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Unsymmetrical circuit of cascade frequency converter
RU2756380C1 (en) * 2021-01-27 2021-09-29 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "ЭКРА" Method for determining insulation resistance of network and insulation resistances of ac connections with isolated neutral of more than 1000 v
US11742779B2 (en) 2020-01-03 2023-08-29 C-Motive Technologies, Inc. Electrostatic motor having fluid management features

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9203325B2 (en) 2011-09-06 2015-12-01 Nissan Motor Co., Ltd. Power conversion device
RU2558749C1 (en) * 2011-09-06 2015-08-10 Ниссан Мотор Ко., Лтд. Power conversion device
US9190922B2 (en) 2011-09-06 2015-11-17 Nissan Motor Co., Ltd. Power conversion device
US9197137B2 (en) 2011-09-06 2015-11-24 Nissan Motor Co., Ltd. Power conversion device
CN103929052B (en) * 2014-04-30 2016-08-24 阳光电源股份有限公司 A kind of combining inverter output filter
CN103929052A (en) * 2014-04-30 2014-07-16 阳光电源股份有限公司 Output filter of grid-connected inverter
WO2016057333A1 (en) * 2014-10-05 2016-04-14 C-Motive Technologies Inc. Electrostatic machine system and method of operation
US9866148B2 (en) 2014-10-05 2018-01-09 C-Motive Technologies Inc. Electrostatic machine system and method of operation
RU2668416C1 (en) * 2017-04-06 2018-10-01 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Three-level frequency converter
US11742779B2 (en) 2020-01-03 2023-08-29 C-Motive Technologies, Inc. Electrostatic motor having fluid management features
US11811334B2 (en) 2020-01-03 2023-11-07 C-Motive Technologies, Inc. Electrostatic motor
US11870368B2 (en) 2020-01-03 2024-01-09 C-Motive Technologies, Inc. Electrostatic motor
RU2750582C1 (en) * 2020-07-03 2021-06-29 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Unsymmetrical circuit of cascade frequency converter
RU2756380C1 (en) * 2021-01-27 2021-09-29 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "ЭКРА" Method for determining insulation resistance of network and insulation resistances of ac connections with isolated neutral of more than 1000 v

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2414043C1 (en) Non-transformer frequency converter for controlled medium voltage electric drive
Steinke Use of an LC filter to achieve a motor-friendly performance of the PWM voltage source inverter
Tan et al. Voltage form factor control and reactive power compensation in a 25-kV electrified railway system using a shunt active filter based on voltage detection
Osman A medium-voltage drive utilizing series-cell multilevel topology for outstanding power quality
EP2443732B1 (en) An arrangement for exchanging power
KR101357445B1 (en) Grid-tie inverter
CA2622057C (en) Apparatus for electrical power transmission
US8553432B2 (en) Power transmission method and power transmission apparatus
EP2398124B1 (en) Method to minimize input current harmonics of power systems such as ESP power systems
US8711591B2 (en) AC/DC converter
KR20080017031A (en) Multi-level active filter
JP2013541934A (en) Modular multi-voltage output converter device connected to rectifier
US20100109616A1 (en) System and method for reactive power compensation and flicker management
Verma et al. Power conditioner for variable-frequency drives in offshore oil fields
Parreiras et al. Common-mode overvoltage mitigation in a medium-voltage pump motor transformerless drive in a mining plant
Prasai et al. Compact dynamic phase angle regulator for power flow control
Skibinski et al. System design of adjustable speed drives, part 2: System simulation and ac line interactions
WO2015172825A1 (en) Ac fault handling arrangement
Kahle Power converters and power quality
Alexa Combined filtering system consisting of passive filter with capacitors in parallel with diodes and low-power inverter
Hamill et al. The bootstrap variable inductance and its applications in AC power systems
Al-bayaty et al. Taking advantage of the harmonics at the load side using passive filters
Xu et al. Impact of Two Types of Grounding on the Common-mode Voltage of Wide-bandgap Motor Drive Systems
Golkhah et al. Multilevel Converter Objectives: a Critical Evaluation and Combination of Available Natural-Commuted Topologies with Restructured Iron Cores
Venkatesh et al. Mitigation of voltage sags/swells using PWM switched autotransformer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150327