УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ИНВЕРТОРА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО МОЩНОСТИ
MAXIMUM POWER PROTECTION DEVICE FOR INVERTER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты однофазного инвертора от перегрузок по мощности при различном характере нагрузок, подключаемых к нему.
Известно большое количество автономных инверторов, входящих в состав независимых энергоустановок и источников бесперебойного питания и преобразующих энергию источников постоянного тока - аккумуляторных батарей, генераторов на топливных элементах, солнечных батарей и т.д. - в энергию переменного тока со стабильными выходными характеристиками - напряжением, частотой, формой. В паспортных данных на инверторы и выполненные на их основе источники бесперебойного питания указываются два допустимых значения выходной мощности: одно значение относится к полной мощности, выраженной в кВА, при заданном значении cos φ (обычно 0,7-0,8), а второе - к активной мощности, выраженной в кВт. Так, например, для инвертора фирмы ELTEC типа UNV-5.0F (http://www.powerexpert.ua/epueltec inv unv psw.html) предельная выходная мощность при подключении нагрузок с cos φ≤0,8 составляет 5,0 кВА, а при чисто активной нагрузке (cos φ=1) допустимая мощность падает до 4,0 кВт. При этом защита инвертора от перегрузки с помощью входного предохранителя не приводит к надежному результату. Если предохранитель выбран под чисто активную нагрузку, то для нагрузок с cos φ, близким к значению 0,8, мощностные возможности инвертора будут недоиспользоваться. И, наоборот, если предохранитель выбран под полную допустимую мощность инвертора, то при подключении чисто активной нагрузки инвертор будет перегружаться, что может привести к его отказу.
Известен инвертор и устройство защиты от токов перегрузки для него (патент GB 2197550, МПК H02M 7/538, 18.05.1988), содержащее источник постоянного напряжения, автономный трехфазный инвертор, нагрузку, датчики выходных токов, блок выделения наибольшего тока, блок оценки тока перегрузки и цепь отключения силовых ключей инвертора.
Недостаток устройства заключается в отсутствии контроля выходной мощности инвертора, которая может превысить допустимый уровень и без достижения выходными токами инвертора предельных значений.
Известно устройство для защиты и контроля мощности активной нагрузки (авторское свидетельство SU 1677766, МПК H02H 5/04, 7/09, 7/085, G05B 11/06, 15.09.1991). Устройство содержит питающую сеть, нагрузку, датчик тока, выпрямитель, узел контроля, индикаторы, узел управления и узел защиты.
Недостатком устройства является то, что оно предназначено для одного конкретного вида нагрузки (двигателя) и не учитывает изменения соотношений между токами и активной мощностью при различных коэффициентах мощности (cos φ) нагрузки.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является оборудование для быстрого определения коротких замыканий в сети переменного тока (патент US 4811154, МПК H02H 3/18, 07.03.1989), содержащее сеть переменного тока, подключенную к потребителям энергии через размыкатель сети, управляемый триггерным блоком (блоком контактора). Перед потребителями в сети установлены датчики тока и напряжения, выходные напряжения которых через согласующие блоки поступают на аналого-цифровые преобразователи, связанные с сигнальным процессором, воздействующим на триггерный блок. Сигнальный процессор осуществляет быстрое преобразование Фурье сигналов датчиков тока и напряжения, определение максимума их кросс-корреляции и вычисление максимума спектра мощности и спектра импеданса, а также сравнение указанных величин с заданными величинами.
Недостаток устройства заключается в ограниченной области применения, обусловленной только защитой от коротких замыканий и не касающейся промежуточных режимов работы энергоустановки. Кроме того, устройство характеризуется большой сложностью и, как следствие, низкой надежностью.
Предлагаемое устройство основано на одновременном контроле как полной, так и активной выходных мощностей, указанных в паспортных данных инвертора, что позволяет, с одной стороны, предотвратить его перегрузку, а с другой - не ограничивать его мощностные возможности при различных видах нагрузки.
На чертеже представлена функциональная схема устройства защиты инвертора от перегрузки по мощности.
Устройство содержит источник 1 постоянного напряжения, например генератор на топливных элементах, подключенный через выключатель 2 и нормально замкнутые контакты 3 контактора 4 к входу инвертора 5, в одной из выходных шин которого установлен датчик 6 тока, а к выходу подсоединены датчик 7 напряжения и через второй выключатель 8 - нагрузка 9, и блок 10 контактора 4. Устройство снабжено двумя аналоговыми перемножителями 11, 12, двумя выпрямителями 13, 14, фильтром 15 нижних частот, двумя компараторами 16, 17, элементом ИЛИ 18, таймером 19 и элементом 20 запрета. Датчики 6, 7 непосредственно и через выпрямители 13, 14 подключены к входам перемножителей 11 и 12, выходы которых соответственно через фильтр 15 и напрямую связаны с входами компараторов 16, 17. Выходы компараторов 16, 17 подсоединены к входам элемента ИЛИ 18, выход которого непосредственно и через таймер 19 связан с прямым и инверсным входами элемента 20, к выходу которого подключен вход блока 10.
Блок 10 содержит ключ на транзисторе 21, вход которого соединен с входом блока 10. В коллекторную цепь транзистора 21 включена обмотка контактора 4. Параллельно транзистору 21 подключены последовательно соединенные вспомогательный разомкнутый контакт 22 контактора 4 и нормально-замкнутая кнопка 23 отключения контактора 4.
Элемент 20 запрета представляет собой элемент 2 И с прямым и инверсным (запретным) входами.
Устройство защиты инвертора от перегрузки по мощности работает следующим образом.
m
m
При замыкании выключателя 2 от источника 1 на вход инвертора 5 поступает постоянное напряжение, преобразуемое им в переменное со стабильными электрическими характеристиками. При замыкании выключателя 8 к выходу инвертора 5 подключается нагрузка 9, а на выходах датчиков 7 и 6 появляются напряжение, пропорциональное мгновенному значению напряжения на нагрузке 9 - Usinωt, и напряжение, пропорциональное мгновенному значению тока, протекающего через нагрузку 9 - Isin(ωt+φ), где φ - угол сдвига фаз между синусоидами напряжения и тока, определяемый характером нагрузки 9. В перемножителе 11 вычисляется произведение указанных напряжений:
m
m
m
m
m
m
Usinωt×Isin(ωt+φ)=UI/2cosφ-UI/2(2ωt+φ).
Из приведенного выражения следует, что на выходе перемножителя 11 появляются два напряжения. Одно из них постоянное и пропорциональное активной мощности, а второе - переменное, имеющее удвоенную частоту. Фильтр 15 подавляет высокочастотную составляющую и выделяет напряжение, пропорциональное активной мощности.
Одновременно с этим напряжения датчиков 7, 6 через выпрямители 13, 14 подаются на входы перемножителя 12, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное полной выходной мощности инвертора 5. Компараторы 16, 17 контролируют величины активной и полной мощностей инвертора 5. В случае превышения одной из них паспортного значения срабатывает соответствующий компаратор 16 или 17 и на его выходе появляется высокий потенциал, прикладывающийся к входу элемента ИЛИ 18. В результате на выходе элемента ИЛИ 18 также появляется высокий потенциал, запускающий таймер 19 и поступающий на первый вход элемента 20 запрета. На время действия импульса на выходе таймера 19 накладывается запрет на прохождение высокого потенциала с первого входа элемента 20 на его выход. Это позволяет предотвратить срабатывание защиты при кратковременных перегрузках по мощности, возникающих, например, при подключении к инвертору 5 нагрузок с большими пусковыми токами.
По окончании импульса на выходе таймера 19 и при сохранении перегрузки по мощности (высокого потенциала на выходе одного из компараторов 16, 17) на выходе элемента 20 появляется высокий потенциал, под действием которого в блоке 10 открывается транзистор 21 и запитывается обмотка контактора 4. В результате размыкаются основные контакты 3 контактора 4, отключающие вход инвертора 5 от источника 1, и замыкается вспомогательный контакт 22, самоблокирующий обмотку контактора 4. После устранения причины, вызвавшей перегрузку инвертора 5, с помощью кнопки 23 размыкается цепь обмотки контактора 4, снимается ее блокировка, и устройство возвращается в исходное состояние.
При необходимости устройство может быть дооснащено элементами индикации, подключенными к выходам компараторов, указывающими, по какому виду мощности произошла перегрузка инвертора 5, что упрощает отыскание и устранение причины перегрузки.
Таким образом, предлагаемое устройство реализует простой и универсальный способ контроля и защиты инвертора от перегрузок как по активной, так и по полной мощности, что обеспечивает безопасность его эксплуатации без ограничения мощностных возможностей инвертора. Для реализации устройства требуется небольшое количество широко распространенных аналоговых и цифровых микросхем. В качестве аналоговых перемножителей могут быть применены микросхемы КР525ПСЗ, таймера - КР1006ВИ1. Предлагаемое устройство характеризуется низкой стоимостью, малыми габаритами и весом, высокой надежностью и простотой эксплуатации.