Многоуровневая ШИМ (широтно-импульсная модуляция) — это усовершенствованная техника управления сигналами, которая используется для повышения эффективности и качества выходного сигнала в системах управления, таких как инверторы, преобразователи и двигатели. В отличие от классической двухуровневой ШИМ, где сигнал переключается между двумя уровнями (например, 0 и 1), многоуровневая ШИМ использует несколько уровней напряжения, что позволяет снизить гармонические искажения и улучшить характеристики системы.

Основные принципы многоуровневой ШИМ:

1. Уровни напряжения. Вместо двух уровней (например, 0 В и +U) используется несколько уровней (например, -U, 0, +U или больше). Это позволяет формировать более плавный сигнал, близкий к синусоидальному.
2. Снижение гармоник. Многоуровневая ШИМ уменьшает высшие гармоники в выходном сигнале, что снижает потери и нагрев оборудования.
3. Уменьшение электромагнитных помех. Более плавные переходы между уровнями уменьшают электромагнитные помехи (EMI).
4. Повышение КПД. Снижение потерь в силовых компонентах (транзисторах, диодах) за счет уменьшения переключений.

Типы многоуровневой ШИМ:

1. Трехуровневая ШИМ:

Использует три уровня напряжения: -U, 0, +U.

Пример: нейтрально-закрепленный инвертор (NPC).

2. Многоуровневая ШИМ с большим числом уровней:

Использует 5, 7 или более уровней напряжения.

Пример: каскадные H-мосты (CHB), модульные многоуровневые преобразователи (MMC).

Преимущества многоуровневой ШИМ:

— Высокое качество выходного сигнала.

— Близкий к синусоидальному сигнал с низким уровнем гармоник.

— Меньше переключений и потерь в силовых компонентах.

— Благодаря низкому уровню гармоник, требуется меньше фильтров на выходе.

— Позволяет работать с высоковольтными системами без необходимости использования мощных транзисторов.

Применение многоуровневой ШИМ:

— Инверторы.

— Преобразователи частоты.

— Системы возобновляемой энергетики.

— Солнечные инверторы, ветровые генераторы.

— Электромобили.

Принцип действия высоковольтного преобразователя частоты (ПЧ) основан на алгоритме, при котором входной переменный ток первоначально выпрямляется, а затем преобразуется в переменный ток регулируемого напряжения и частоты по схеме инвертора напряжения с многоуровневой ШИМ. При этом на выходе формируется многоуровневое напряжение, близкое к синусоиде и наиболее благоприятное для электродвигателя, форма которого приведена на рисунке выше.

При включении ПЧ высокое переменное напряжение — 3/6/10 кВ начинает поступать от внешнего источника питания на преобразовательный силовой трансформатор (ПСТ), где преобразуется в напряжения — 690-1-750 В, выдаваемые на вторичных обмотках, которые подаются на силовые ячейки (СЯ), подключенные последовательно в фазах. Каждый ПСТ питает количество СЯ, равное числу его вторичных силовых обмоток. Кроме того, вторичные обмотки ПСТ сдвинуты по фазе для снижения уровня гармоник, генерируемых в питающую сеть.

Номинальное выходное напряжение ВЧРП (до — 3/6/10 кВ) достигается, благодаря использованию включенных последовательно в каждой фазе СЯ. Номинальный ток ПЧ определяется номинальным током СЯ. Номинальное напряжение определяется количеством последовательно соединенных СЯ и номинальным напряжением СЯ.

Таким образом, высоковольтного преобразователя частоты позволяют обеспечить:

— питание регулируемого асинхронного электродвигателя (АД) или синхронного электродвигателя (СД);

— проведение испытаний, включая нагрузочные, любых АД или СД на – 3/6/10 кВ;

— плавные разгон/торможение и регулирование скорости ЭД с возможным регулированием выходной частоты напряжения преобразователя от 0,05 до 120 Гц (при этом время разгона/торможения составляет от 1 до 3600 с, в зависимости от нагрузки, а пусковые токи не превышают 110 % от номинального).

Высоковольтный частотно-регулируемый электропривод (ПЧ) представляет собой автономный инвертор напряжения по многоуровневой схеме с интегрированным многообмоточным силовым трансформатором. В ПЧ в качестве основного преобразовательного устройства используются низковольтные частотно-преобразовательные модули (силовые ячейки ПЧ), соединенные последовательно. В комплекте с ПЧ установлен шкаф реактора, который подключается к его выходу и служит для безударного перевода двигателя на работу от сети 6 кВ.

В состав ПЧ входит:

— Трансформатор силовой многообмоточный – 1 шт.;

— Шкаф силовой с установленными силовыми модулями (ШС) – 3 шт.;

— Шкаф управления (ШУ) – 1 шт.;

— Шкаф контакторный распределительный, в состав каждого из ШКР входит высоковольтный вакуумный контактор и высоковольтный разъединитель, а также заземлитель.

— Система заземления ПЧ;

— Высоковольтный токоограничивающий реактор – 1 шт.

Защиты, необходимые в ПЧ:

— от коротких замыканий внутри и на выходе преобразователя частоты;

— время-токовая защита;

— максимально-токовая защита;

— от перегрева выпрямителя, инвертора;

— от перенапряжений;

— от исчезновения напряжения сети;

— от недопустимого повышения и понижения напряжения сети;

— от открытия дверей шкафов.

Структурная схема частотного регулирования на примере автоматизированной системы управления высоковольтным преобразователем частоты (ПЧ), работающим с зимними сетевыми насосами, а также летними сетевыми насосами, установленными на ТЭЦ.

АСУ реализована на технологическом контроллере ОВЕН, программное обеспечение – ОВЕН.

ПЧ предназначен для обеспечения плавного пуска и останова ЭД сетевых насосов, увеличения и уменьшения частоты вращения ЭД с заданной интенсивностью до заданных оборотов, регулирования частоты вращения в автоматическом режиме по сигналам от АСУ.

В состав оборудования АСУ сетевых насосов входит:

1. Преобразователь частоты.
2. Шкаф контакторный распределительный.
3. Местная сенсорная панель управления (СПУ) с диагональю 12 дюймов.
4. Дистанционная СПУ с диагональю 12 дюймов.
5. Технологический контроллер.
6. Датчик давления в напорной магистрали.
7. Датчик давления на всасе коллектора.
8. Задвижки на напоре.
9. Электроконтактные манометры давления масла в системах смазки насосов
10. АРМ оператора.

Примечание: сенсорная панель управления, представляет собой компьютер с диагональю экрана 12 дюймов с установленной операционной системой и программой интерфейса. Общение пользователя с панелью происходит с помощью легких касаний пальцами рук виртуальных кнопок, изображенных на экране панели.

СИСТЕМА обеспечивает плавный пуск двигателя насосного агрегата (далее НА), подключенного к преобразователю частоты, регулирование его производительности и дальнейший безударный перевод в работу от сети 6 кВ. Выбор электродвигателя для его подключения к преобразователю частоты (далее ПЧ), регулировка производительности НА осуществляется от АСУ.