Технология ANPC-5L и привод ACS 2000

Пятиуровневый преобразователь

ФРЕДЕРИК КИФЕРНДОРФ, МИХАЭЛЬ БАСЛЕР, ЛЕОНАРДО СЕРПА, ЯН-ХЕННИНГ ФАБИАН, АНТОНИО КОЧЧИА, ГЕРАЛЬД ШОЙЕР - Современная силовая электроника вызвала революционные изменения в передаче и потреблении электроэнергии.
В области применения электроприводов способность произвольно выбирать, а также непрерывно изменять частоту и амплитуду выходного напряжения инвертора способствовала существенному увеличению эффективности использования электроэнергии и возможности ею управлять. Инверторы формируют напряжение переменного тока путем переключения с высокой частотой различных уровней напряжения постоянного тока с помощью полупроводников. Форма выходного сигнала, созданного таким образом, отличается от «идеальной» синусоидальной формы по причине формирования его из прямоугольных импульсов. Различие может быть достаточным для того, чтобы сделать невозможным использование привода во многих применениях, требующих более высокого «качества» напряжения переменного тока. Одним из способов сделать энергоэффективные преимущества электроприводов доступными для более широкого применения является увеличение количества уровней напряжения постоянного тока. Привод ACS 2000 концерна АББ выходит за пределы обычно используемых трёх уровней напряжения, доводя их число до пяти. Кроме того, благодаря своей оригинальной топологии, он помогает избежать многих проблем, которые могли бы сделать пятиуровневый преобразователь чрезмерно усложнённым.

Инвертор (устройство, преобразующее постоянный ток в переменный) работает по принципу переключения между различными уровнями напряжения постоянного тока. Таким образом, на выходе получается не синусоидальная форма выходного сигнала, а высокочастотные прямоугольные импульсы, которые формируются для создания формы выходного сигнала, максимально схожей с синусоидой рис. 1с. Здесь можно привести одну аналогию: возьмём цифровую фотографию, сделанную с низким разрешением. Изображение на такой фотографии не будет в точности соответствовать оригиналу, поскольку малое количество пикселей ограничивает уровень детализации изображения. Возможность как можно точнее воспроизвести идеальную синусоидальную волну с помощью прямоугольных импульсов подобным же образом ограничена количеством доступных уровней напряжения. Тем не менее, в отличие от фотографии, разница заключается не только в эстетических аспектах: синусоида неидеальной формы порождает гармоники (ток и напряжение более высокой частоты), которые могут стать причиной ряда негативных последствий: от перегрузки изоляции и подшипников электродвигателя до создания помех для другого оборудования. Фильтры подавления гармоник могут использоваться для сглаживания выходного сигнала путем поглощения проблемных гармоник, но они вызывают как дополнительные финансовые расходы, так и дополнительные потери энергии. Чтобы как-то справиться с воздействием таких гармоник, двигатели должны проектироваться с учётом дополнительных нагрузок (что исключает применение многих каталожных стандартных электродвигателей), или же такие преобразователи не смогут быть использованы в существующие применения. Следовательно, это веский довод в пользу преобразователя, который может создавать более правильную синусоиду выходящего тока.
Уровни инвертора
Самый простейший инвертор представляет собой двухуровневый преобразователь. Он называется двухуровневым, поскольку в нём существуют только два уровня напряжения: прямое и обратное питающее напряжение постоянного тока. Трёхуровневый преобразователь со средней точкой (NPC) является продолжением данной концепции, и в нём существует напряжение средней точки (нейтрали) рис. 1а; он может формировать уровни выходного сигнала, которые изображены на рис. 1с.
Преобразователи проектировались таким образом, чтобы выйти за пределы описанных ограничений и вырабатывать пять уровней напряжения. Тем не менее, такие топологии часто достигаются ценой куда более высокой сложности конструкции. Например, если из напряжения постоянного тока должно вырабатываться пять, а не три уровня выходного напряжения, он потребует дополнительных фиксирующих диодов и конденсаторов, а также соответствующей схемы управления и контроля зарядки конденсаторов. Альтернативный подход заключается в последовательном подключении преобразователей, что опять-таки усложняет цепи постоянного тока из-за необходимости гальванической развязки цепей питающего напряжения и, следовательно, применения дорогостоящих трансформаторов. Такие решения могут быть приемлемы для больших мощностей, но менее мощные средневольтные приводы требуют более простых решений. Концерн АББ решил вплотную заняться этими проблемами и нашёл решение, которое может давать на выходе пять уровней выходного напряжения без усложнения цепей постоянного тока. Трёхуровневое звено постоянного тока само по себе не может дать пять уровней напряжения, и поэтому контуру требуется дополнительный конденсатор на фазу выходного напряжения. Но оригинальность решения, найденного специалистами АББ, состоит в том, что конденсатор остаётся в заряженном состоянии без необходимости наличия отдельной схемы управления зарядом конденсатора.
Технология ANPC-5L
Принципиальная схема пятиуровневого преобразователя с активной средней точкой (ANPC-5L) показана на рис. 2а. Зарядка фазового конденсатора Cph поддерживается на уровне половины от напряжения конденсаторов звена постоянного тока, т.е. одной четверти от общего напряжения звена постоянного тока. Общий принцип работы схемы может быть охарактеризован как трёхуровневый NPC-преобразователь плюс дополнительный конденсатор. Этот фазный конденсатор переключается последовательно с трёхуровневым преобразователем по мере необходимости и обеспечивает два дополнительных промежуточных уровня напряжения на выходе. Звено постоянного тока идентична звену постоянного тока трёхуровневого NPC преобразователя.

1. Основы инвертора напряжения со средней точкой (NPC) (показана только одна фаза)

1а Принцип работы

1b Цепь

1с Форма выходного напряжения (пример)

Технология ANPC- 5L требует всего лишь одного дополнительного конденсатора на фазу в сравнении с трёхуровневым преобразователем NPC.

Топология ячейки 1 на рис. 2b полностью идентична топологии аналогичной ячейки трёхуровневого NPC- преобразователя рис. 1b. По аналогии с такой схемой, ключи в виде биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) в ячейке 1 имеют номинальное значение в размере половины напряжения звена постоянного тока. Поскольку дополнительный конденсатор заряжен на четверть от напряжения звена постоянного тока, номинальное значение IGBT в ячейках 2 и 3 определено для такого пониженного напряжения. Применение устройств со сниженным напряжением способствует простоте устройства преобразователя. Простота и практичность дизайна проявляются ещё более отчётливо, если принять во внимание то, что требуется лишь один дополнительный конденсатор на фазу в сравнении с трёхуровневым NPC-преобразователем. Преобразователь обеспечивает полную четырёхквадрантную функциональность (энергия преобразуется в обоих направлениях).
3 Фазовые состояния преобразователя ANPC-5L

Ячейка 3 S4 Snp2 Snp1		S1	Ячейка 2 S32 S21		Ячейка 1 S31 S22		Уровень выходного сигнала	Выходное фазное напряжение	Влияние на Cph i>0 i<0		Влияние на Vnp i>0 i<0		Вектор переключения
1 0	1	0	1	0	1	0	-2	-V	0	0	0	0	V0
1 0	1	0	1	0	0	1	-1	-V/2	-	+	0	0	V1
1 0	1	0	0	1	1	0	-1	-V/2	+	-	-	+	V2
1 0	1	0	0	1	0	1	0	0	0	0	-	+	V3
0 1	0	1	1	0	1	0	0	0	0	0	-	+	V4
0 1	0	1	1	0	0	1	+ 1	V/2	-	+	-	+	V5
0 1	0	1	0	1	1	0	+ 1	V/2	+	-	0	0	V6
0 1	0	1	0	1	0	1	+2	V	0	0	0	0	V7

4 Две различные цепи тока, обеспечивающие одинаковое напряжение на выходе
2а Принцип работы                                     2b Схема
Конденсатор Cph поддерживается в заряженном состоянии на половину от напряжения конденсатора звена постоянного тока
2 Принципиальная схема преобразователя ANPC-5L (показана только одна фаза)
Принцип работы ANPC-5L
4а Вектор переключения V6 из рис. 3             4b Вектор переключения V5 из рис. 3
Обратное направление тока в Cph позволяет поддерживать конденсатор в заряженном состоянии.

Ключи ячейки 1 (на рис. 2b) работают в качестве дополнительных устройств, при этом S^ Snp2 работают синхронно вместе (подобным же образом работают S4 и Snp1). Ключи ячейки 2 работают в противофазе друг другу, также как и ключи в ячейке 3. Общее количество режимов переключений на фазу показано на рис. 3. Всего возможны восемь режимов. Поскольку конвертер имеет всего пять уровней выходного сигнала, некоторые режимы оказываются излишними. Тем не менее, вместо того, чтобы полагать, что некоторые режимы преобразователя не используются, лучше посмотреть на рис. 3, чтобы обнаружить, что для двух из трёх якобы излишних пар режимов, а именно V1/V2 и V5/ V6, обратный эффект может быть оказан на зарядку конденсатора фазы. На рисунке рис. 4 сравниваются V5 и V6, а также показано, как V6 вычитает VDC/2 из напряжения звена постоянного тока, тогда как V5 добавляет его к напряжению на нейтрали. В результате ток проходит через конденсатор фазы в обратном направлении. Эта особенность может использоваться для поддержания требуемого напряжения на конденсаторе фазы без дополнительной схемы зарядки.



Привод ACS 2000
В конструкции привода ACS 2000 использованы два пятиуровневых преобразователя в «зеркальной» конфигурации (B2B). Схема привода ACS 2000 показана на рис. 5.
Конструкция механической части
Бестрансформаторный привод ACS 2000 рис. 6 спроектирован с целью максимального увеличения времени безотказной работы с помощью модульной конструкции. Номиналы компонентов подобраны с учётом их расчётного срока службы, а также предусмотрен лёгкий фронтальный доступ до всех критически важных компонентов. Конструкция фазовых модулей в форме выдвижных ящиков облегчает быструю и безопасную замену в случае неисправности.
Ключевым элементом модульной концепции является фазовый модуль рис. 7. В состав модуля входят основные компоненты одной фазы преобразователя (как показано на рис. 2b), включая силовые полупроводники, драйверы и конденсатор фазы. Модуль также включает в себя интерфейсную плату для связи с более высоким уровнем управления и оборудование для измерения тока и напряжения.

1. Базовая конфигурация привода ACS 2000

6 Бестрансформаторный привод ACS 2000 мощностью 800 кВт, 6 кВ

1. Фазовый модуль ACS 2000

8 Напряжение и ток на входе привода показывают, что коэффициент мощности при работе равен единице

Бестрансформаторный привод aCs2000 спроектирован с целью максимального увеличения времени безотказной работы с помощью модульной конструкции.

Это позволяет осуществлять простое подключение модуля, поскольку необходимо лишь подсоединить питание и оптоволоконную линию связи. Токонесущие соединения выполнены в виде соединительных штепселей.
Благодаря своей простоте модуль может быть заменён пользователем в течение нескольких минут.
Испытания
Привод ACS 2000 испытывался в «зеркальной» конфигурации. Были установлены два привода ACS 2000: испытываемый привод (DUT) и нагрузочный инвертор. Оба привода были подключены в общую трёхфазную сеть и подсоединены к соответствующим электродвигателям (объединенных общим валом). Один из практических результатов такого подключения состоял в том, что только потери в системе электропривода должны были покрываться за счёт питающей сети. Поскольку оба привода (DUT и нагрузочный инвертор) относились к типу ACS 2000, было возможно одновременно наблюдать за двигательным и рекуперативным режимами работы привода. Также проводились длительные испытания в «зеркальной» конфигурации для подтверждения высокой надёжности приводов.
Входные и выходные характеристики
Работа выпрямителя показана на рисунке рис. 8. Пятиуровневый преобразователь обеспечивает двигателю девять уровней линейного напряжения. Типичные формы сигналов тока и напряжения показаны на рисунке рис. 9. Новый пятиуровневый инвертор формирует выходной сигнал, довольно близкий синусоидальному и соответствующий требованиям для привода электродвигателей, спроектированных для прямого подключения к питающей сети без необходимости снижения их параметров.
9 Осциллограммы напряжения

9a пятиуровневое фазное напряжение

9b девятиуровневое линейное напряжение

Работа во время нарушений режимов электропитания

Комбинация многоуровневой топологии ANPC-5L и динамических характеристик прямого управления моментом могут применяться для предотвращения отключения привода даже в случае перерыва в подаче силового напряжения от сети в течение нескольких секунд.

Сочетание многоуровневой топологии ANPC-5L и динамических характеристик прямого управления крутящим моментом может использоваться для предотвращения отключения привода даже в случае нарушения режима электропитания в течение нескольких секунд. Работа также может продолжаться при отказе определённых вспомогательных систем питания в течение некоторого времени. Максимальная длительность нарушения режима электропитания, при которой не возникает аварии привода, зависит от нагрузки, механизма и рабочей точки в момент отключения энергии.

При отключении энергоснабжения напряжение звена постоянного тока сохраняется на определённом уровне для поддержания намагниченности двигателя. С этой целью энергия от вращающейся массы двигателя и нагрузки подаётся обратно через инвертор, чтобы компенсировать потери и поддержать напряжение в звене постоянного тока. Режим работы при отключённом энергоснабжении может поддерживаться, пока вращающаяся масса сохраняет энергию, достаточную для удовлетворения таких потребностей в электроэнергии. При восстановлении напряжения в питающей сети немедленно возобновляется ускорение двигателя до желаемой скорости.
Полевые испытания на фактическом оборудовании заказчика отображены на рисунке рис. 10. Отключение питающего напряжения сети длилось одну секунду. На рисунке рис. 10a показано падение до нуля напряжения в сети и тока на входе. На рисунке рис. 10c показан тормозной момент электродвигателя для рекуперации энергии во время отключения энергии с целью поддержания напряжения в звене постоянного тока рис. 10b. При восстановлении напряжения в сети, крутящий момент быстро возвращается в двигательный режим.
Применение и успехи
Привод ACS 2000 разработан для самых разных областей применения в различных отраслях промышленности в рамках рынка приводов общего назначения, как показано на рисунке рис. 11 .

Новый пятиуровневый инвертор формирует выходной сигнал, полностью соответствующий требованиям для работы с электродвигателями, спроектированными для работы напрямую от сети без необходимости снижения их параметров.

Призы и награды
В декабре 2010 года консалтинговая компания Frost and Sullivan присудила приводу ACS 2000 награду как лучшему европейскому инновационному продукту 2010 года в номинации приводов среднего напряжения. В заявлении фирмы Frost and Sullivan было сказано, что «данное изделие обладает такими преимуществами, как гибкость подсоединения к питающей сети, низкое число гармоник, невысокое энергопотребление, простота монтажа и пуска в эксплуатацию, высокая надёжность и сниженная стоимость владения. Являясь единственным приводом с топологией на базе инверторов напряжения (VSI), без трансформатора и с запатентованным многоуровневым IGBT- управлением, привод ACS 2000 является важным достижением в секторе приводов среднего напряжения [. . .] Изделие обладает рядом дополнительных значимых характеристик, таких как простые монтаж, пусконаладка и эксплуатация. Такие свойства являются особо важными с точки зрения конечного пользователя».

1. Сохранение работоспособности при кратковременном нарушении режима электропитания: измерения во время отключения питания

10а Питающая сеть


10b Напряжение в звене постоянного тока
10c Характеристики на выходе

1. Целевые отрасли и применения привода ACS 2000

Отрасли	Применение
Цементная, горнодобывающая	Конвейеры, дробилки, мельницы, вентиляторы и насосы
Химическая, нефтегазовая	Насосы, компрессоры, экструдеры, миксеры и воздуходувки
Металлургия	Вентиляторы и насосы
Целлюлозно-бумажная	Вентиляторы, насосы, рафинеры, вакуумные насосы и измельчители
Энергетика	Вентиляторы, насосы, конвейеры и угольные мельницы
Водоснабжение	Насосы
Другие применения	Испытательные стенды и аэродинамические трубы

Фредерик Киферндорф
Леонардо Серпа
Ян-Хеннинг Фабиан
Антонио Коччиа (ранее работал в АББ)
Корпоративный исследовательский центр концерна АББ в г. Баден-Детвиль, Швейцария frederick.kieferndorf@ch.abb.com leonardo.serpa@ch.abb.com jan-henning.fabian@ch.abb.com
Михаэль Баслер
Отдел силовой электроники и приводов среднего напряжения, Нью-Берлин, штат Вайоминг, США michael.basler@us.abb.com
Геральд Шойер
Отдел силовой электроники и приводов среднего напряжения, Турги, Швейцария gerald-a.scheuer@ch.abb.com
Дополнительная литература
Техническая информация, изложенная в данной статье, основана на докладе, представленном на симпозиуме в городе Пиза в июне 2010 года. Из-за нехватки журнальной площади данная статья подверглась значительному сокращению в сравнении с оригинальным документом; читателям, заинтересованным в более подробной информации, рекомендуется ознакомиться с оригиналом [1].
Авторы хотели бы выразить благодарность своим настоящим и бывшим коллегам за вклад в разработку описанной технологии: П. Барбосе (P. Barbosa), Н. Челановичу (N. Celanovic), М. Винкель- нкемперу ( M. Winkelnkemper), Ф. Вильднеру (F. Wildner), К. Гедерли (C. Haederli), П. Штаймеру (P Steimer), Й. Стайнке (J. Steinke) и многим другим.
Литература
[1] Kieferndorf, F., Basler, M., Serpa, L. A., Fabian,
J.-H., Coccia A., Scheuer, G.A. (июнь 2010 г) Использование технология ANPC-5L в регулируемых приводах среднего напряжения. Доклад был представлен на Международном симпозиуме по силовой электронике, электроприводам, автоматизации и движущимся механизмам в г Пиза, Италия. Доклады записаны на CD-ROM.
Заглавный рисунок
Приводы в изобилии встречаются на фабриках и заводах; они производятся для всех классов мощности, начиная от маломощных вентиляторов и заканчивая мощными дробилками. На заглавном рисунке изображена теплоэлектростанция в городе Торревальдалига, Италия.

Источник: AББ