Робота силового кремнію для двигунів частотного струму на основі каскадної комірки - технічні статті

Для стандартних двигунів низької напруги (≤690Vac) топологія 2 рівня джерела напруги на основі IGBT домінує в ландшафті. Однак при більш високих напругах (≥2400Vac)

Для стандартних приводів низької напруги (≤690В перемінного струму) топологія 2 рівня джерела напруги на основі IGBT домінує в ландшафті. Однак при більш високих напругах (≥2400Vac) ситуація змінюється, і існує безліч різних топологій, кожна з яких має унікальні технічні та/або економічні переваги. Одна з цих топологій, яку часто називають каскадом, або мостом Каскаду H (CHB), за останні роки зросла популярність. У цій статті буде розказано про основні принципи роботи приводу CHB та продемонстровано деякі нові силові модулі, що відповідають даному типу перетворювача.

Вступ

Для приводів середньої напруги (MVD) існує кілька конкуруючих технологій: трирівневий нейтральний затиск (NPC) тип 1 із використанням силових модулів високої напруги (1), конструкції джерел струму з використанням напівпровідників із зворотним блокуванням (2), п’ятирівневий тип T (3) та Модульний багаторівневий (M2L) (4), щоб назвати деякі найпоширеніші типи, доступні сьогодні на ринку. Історія топології CHB полягає в тому, що вона була винайдена на початку 1970-х років, але вперше комерційно виведена на ринок компанією Robicon USA (нині власником Siemens) на початку 1980-х. В останні роки численні компанії запровадили MVD на базі CHB. Загальна топологія однієї фази показана на рисунку 1, а більш детальна схема для окремої комірки на рисунку 2.

Топологія каскаду

Ключем до каскадної топології є багатофазний ізолюючий трансформатор, див. Рисунок 1, показаний тут із первинною середньою напругою та 5 ізольованими вторинними обмотками, у цьому прикладі кожна з 750 В змінного струму. Кожен вторинний трансформатор подає живлення на одну клітинку, а 5 комірок послідовно з'єднують ланцюжком, щоб зробити повну фазу. Дві інші фази використовуються для побудови повного трифазного приводу із загальною кількістю 15 ізольованих вторинних обмоток. Див. Малюнок 4.

двигунів
Рисунок 1: Загальна схема однієї фази перетворювача CHB на 5 комірок.
Рисунок 2: Приклад типової схеми клітин CHB.

Детальна схема типової комірки показана на малюнку 2. Вона включає:

На рис. 3а показаний типовий перетворювач з трансформатором та 18 елементами. На малюнку 3b показана окрема комірка.

Малюнок 3a: MV3000, привід потужністю 4160 В змінного струму на 1500 к.с. від WEG. Розподільний пристрій та трансформатор зліва та 18 комірок (детально показано на малюнку 3b) у центрі.
Малюнок 3b: Осередок з повітряним охолодженням, що показує модулі випрямляча (чорний) в центрі та модулі 62 мм (білий) праворуч і ліворуч.

Переваги

  • З малюнка 2 видно, що конструкція силових елементів дуже схожа на стандартний привід змінного струму, за винятком того, що використовуються лише два напівмости. Це дозволяє використовувати компоненти, які виготовляються у великих обсягах для перетворювачів нижчої напруги.
  • Модульна конструкція забезпечує гнучкість, оскільки вихідну напругу можна збільшити, додавши більше комірок та обмоток трансформатора.
  • Клітини можна обійти, щоб забезпечити надмірність. Див. Рисунок 4. Якщо одна комірка з якої-небудь причини не працює, її можна замкнути за допомогою байпасного перемикача, див. Рисунок 2. Цей комутатор може бути механічним або напівпровідниковим за допомогою тиристорного модуля, що базується на контакті під тиском. Поки існує деякий запас напруги, привід все одно може працювати або в незбалансованому стані, або, також умикаючи одну комірку на інших двох фазах, у збалансованому стані.
  • Дуже низькі вхідні гармоніки, оскільки вторинні обмотки трансформатора можуть бути зміщені по фазі за допомогою, наприклад, конструкції зигзагоподібного трансформатора.
  • Гармоніки струму двигуна дуже низькі, а значення dv/dt, яке застосовується до обмоток двигуна, зменшується. Міст Н працює на низьких частотах комутації, як правило, 500 Гц - 1 кГц, оскільки кількість комірок збільшує ефективну частоту комутації, яку бачать обмотки двигуна.
  • Спрощене обслуговування, оскільки окремі осередки можуть бути достатньо легкими для роботи двома людьми та зробити їх підключеними, див. Малюнок 3b. Оскільки кожна комірка однакова, це зменшує запас запасних частин.