Funcționarea siliciului de putere pentru motoarele de curent continuu pe bază de celule în cascadă - Articole tehnice

Pentru motoarele standard de joasă tensiune (≤690Vac), sursa de tensiune bazată pe IGBT topologia de nivel 2 domină peisajul. Cu toate acestea, la tensiuni mai mari (≥2400Vac)

Pentru motoarele standard de joasă tensiune (≤690Vac), sursa de tensiune bazată pe IGBT topologia de nivel 2 domină peisajul. Cu toate acestea, la tensiuni mai mari (≥2400Vac), situația se schimbă și există o mulțime de topologii diferite, fiecare cu avantaje tehnice și/sau economice unice. Una dintre aceste topologii, denumită adesea cascadă, sau Cascade H Bridge (CHB), a crescut în popularitate în ultimii ani. Acest articol va explica principiile de bază de funcționare ale unității CHB și va prezenta câteva module de putere noi potrivite cu acest tip de convertor.

Introducere

Pentru unitățile de medie tensiune (MVD), există mai multe tehnologii concurente: clemă cu puncte neutre pe trei niveluri (NPC) tip 1 folosind module de putere de înaltă tensiune (1), proiecte de surse de curent utilizând semiconductori de blocare inversă (2), tip T cu cinci niveluri (3) și Modular Multi-Level (M2L) (4), pentru a numi unele dintre cele mai comune tipuri disponibile astăzi pe piață. Istoria topologiei CHB este că a fost inventată la începutul anilor 1970, dar a fost introdusă pentru prima dată pe piață de Robicon SUA (acum deținută de Siemens) la începutul anilor 1980. În ultimii ani, numeroase companii au introdus MVD-uri bazate pe CHB. Topologia generală a unei faze este prezentată în Figura 1 și o schemă mai detaliată pentru o celulă individuală în Figura 2.

Topologie în cascadă

Cheia topologiei în cascadă este un transformator de izolare multifazică, a se vedea Figura 1, prezentată aici cu o primară de medie tensiune și 5 înfășurări secundare izolate, în acest exemplu fiecare având o valoare de 750 Vac. Fiecare transformator secundar alimentează o singură celulă și cele 5 celule sunt „înlănțuite în lanț” împreună în serie pentru a face o fază completă. Alte două faze sunt utilizate pentru a construi o acționare trifazată completă cu un total de 15 înfășurări secundare izolate. Vezi Figura 4.

Figura 1: Schema generală a unei faze a unui convertor CHB de 5 celule per fază.

Figura 2: Exemplu de schemă tipică a celulei CHB.

Schema detaliată a unei celule tipice este prezentată în Figura 2. Acesta cuprinde:

Figura 3a prezintă un convertor tipic cu un transformator și 18 celule. Figura 3b prezintă o celulă individuală.

Figura 3a: MV3000 o unitate 4160Vac 1500hp de la WEG. Comutator și transformator pe stânga și 18 celule (prezentate în detaliu în Figura 3b) în centru.

Figura 3b: Celulă răcită cu aer care prezintă module redresoare (negru) în centru și module de 62 mm (alb) în dreapta și în stânga.

Avantaje

Din Figura 2, se poate observa că proiectarea celulei de putere este foarte asemănătoare cu o unitate de curent alternativ standard, cu excepția faptului că sunt utilizate doar două jumătăți de punți. Acest lucru permite utilizarea componentelor fabricate în volum mare pentru convertoarele de tensiune mai mică.
Designul modular permite flexibilitate, deoarece tensiunea de ieșire poate fi mărită prin adăugarea mai multor celule și înfășurări ale transformatorului.
Celulele pot fi ocolite pentru a permite redundanța. Vedeți Figura 4. Dacă o celulă este inoperabilă din orice motiv, poate fi scurtcircuitată utilizând un comutator de bypass, consultați Figura 2. Acest comutator poate fi mecanic sau bazat pe semiconductori utilizând un modul de tiristor bazat pe tehnologia contactului de presiune. Atâta timp cât există o anumită marjă de tensiune, unitatea poate funcționa în continuare fie într-o stare dezechilibrată, fie prin scurtcircuitarea unei celule pe celelalte două faze, într-o stare echilibrată.
Armonice de intrare foarte reduse, deoarece înfășurările secundare ale transformatorului pot fi schimbate de fază utilizând, de exemplu, un design de transformator în zig-zag.
Armonicele curentului motorului sunt foarte scăzute și dv/dt aplicat înfășurărilor motorului este redus. Puntea H funcționează la frecvențe de comutare scăzute de obicei 500Hz - 1kHz deoarece numărul de celule înmulțește frecvența efectivă de comutare văzută de înfășurările motorului.
Întreținere simplificată, deoarece celulele individuale pot fi suficient de ușoare pentru a fi manipulate de două persoane și pot fi conectate, vezi Figura 3b. De asemenea, deoarece fiecare celulă este identică, reduce stocul de piese de schimb.