Преобразователь частоты
FREQUENCY CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к электрическим преобразователям с двойным преобразованием электрической энергии.
Известен преобразователь частоты (журнал "Электрик", октябрь 2009, "Преобразователь частоты для асинхронных двигателей CFM210", автор А. Шило, с. 108-113), содержащий однофазный однополупериодный выпрямитель, инвертор, накопительный конденсатор и зарядный резистор, установленный после выпрямителя и ограничивающий ток заряда конденсатора, и реле, осуществляющее шунтирование этого резистора после окончания заряда. Недостатком данного преобразователя частоты является наличие мощного зарядного резистора и силового реле.
Известно устройство и метод предварительного заряда накопительного конденсатора электрического преобразователя (патент US 20080239432, класс Н02Н 7/125, дата приоритета 26.09.2008 г., дата публикации 01.04.2010 г.), содержащее выпрямитель, инвертор, накопительный конденсатор и зарядный резистор, установленный после выпрямителя и ограничивающий ток заряда конденсатора, а также контактор, шунтирующий зарядный резистор после окончания заряда. Недостатком известного устройства является необходимость установки дополнительного силового контактора, рассчитанного на полный ток нагрузки, который протекает в звене постоянного тока, и наличие дополнительного зарядного резистора.
Наиболее близким по технической сущности является преобразователь частоты (журнал "Электротехника", декабрь 2001, "Сравнительный анализ алгоритмов управления автономными инверторами напряжения в асинхронных электроприводах", автор Грузов В.Л. с. 34-40), содержащий входной силовой контактор, выпрямитель, к положительному выводу которого через сглаживающий дроссель подключены положительные полюса автономного инвертора напряжения, тормозного модуля и накопительного конденсатора, а к отрицательному выводу подключены отрицательные полюса автономного инвертора напряжения, тормозного модуля и накопительного конденсатора. Заряд накопительного конденсатора производится с использованием трех токоограничительных зарядных резисторов, которые подключены параллельно трем силовым контактам входного контактора. Один из выводов каждого резистора подключен к фазе питающей сети, а другой вывод подключен к выводу переменного тока выпрямителя. Недостаток устройства заключается в необходимости использования трех дополнительных зарядных резисторов, ограничивающих зарядный (пусковой) ток конденсатора. В результате увеличиваются масса, габариты и стоимость устройства, снижается надежность. Кроме того, требуется регулярное наблюдение за цепью заряда накопительного конденсатора. Еще одним весомым недостатком такой схемы является то, что при выключенном контакторе схема преобразователя частоты находится под силовым напряжением.
Предлагаемый преобразователь частоты позволяет упростить конструкцию устройства, повысить надежность, безопасность устройства при эксплуатации, эффективность и улучшить габаритные и эксплуатационные характеристики.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, зарядный резистор 2, входной контактор, состоящий из нормально открытых контактов 3 и катушки 4. Контакты 3 контактора своим входом соединены с питающей сетью 5, а своим выходом соединены с входом трехфазного выпрямительного моста 6, к выходу которого подключены автономный инвертор напряжения 7, накопительный конденсатор 8 и тормозной модуль 9. Тормозной модуль 9 состоит из транзистора 10, двух диодов 11, 12 и тормозного резистора 13. Коллектор транзистора 10 соединен с катодом первого диода 11 и положительной шиной выпрямительного моста 6, а эмиттер транзистора 10 соединен с анодом первого диода 11, катодом второго диода 12 и первым выводом тормозного резистора 13, второй вывод которого соединен с анодом второго диода 12 и отрицательной шиной выпрямительного моста 6. Зарядный резистор 2 первым своим выводом подключен к выходу первого контакта 14 контактов 3 входного контактора. Преобразователь частоты снабжен реле с двумя нормально открытыми контактами 15, 16 и катушкой 17, двумя предохранителями 18, 19. Второй вывод зарядного резистора 2 через первый предохранитель 18 и первый контакт реле 15 соединен с входом первого контакта 14 контактов 3 входного контактора. Второй предохранитель 19 своим первым выводом подключен к выходу второго контакта 20 контактов 3 входного контактора, а второй вывод предохранителя 19 подключен через второй контакт 16 реле к входу второго контакта 20 контактов 3 входного контактора.
Преобразователь частоты (Фиг. 2) может содержать второй зарядный резистор 21, включенный в цепь между первым выводом второго предохранителя 19 и выходом второго контакта 20 контактов 3 входного контактора.
Преобразователь частоты (Фиг. 3) может содержать автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем, содержащий силовые контакты 22 и катушку электромагнитного расцепителя 23. Силовые контакты 22 автоматического выключателя своим входом соединены с питающей сетью 5, а своим выходом соединены с входом трехфазного выпрямительного моста 6. Катушка электромагнитного расцепителя 23 подключена к системе управления 1.
Преобразователь частоты (Фиг. 4) может содержать дополнительные нормально замкнутый контакт 24 контактора и нормально замкнутый контакт 25 реле. Первый вывод нормально замкнутого контакта 24 контактора соединен с положительной шиной выпрямительного моста 6, а второй вывод нормально замкнутого контакта 24 контактора соединен с первым выводом нормально замкнутого контакта реле 25, второй вывод которого соединен с эмиттером транзистора 10 тормозного модуля 9.
AB
AB
AB
AB
Работа преобразователя частоты происходит следующим образом. При включении преобразователя по сигналу от системы управления 1 (Фиг. 1) запитывается катушка реле 17. При этом замыкаются контакты 15 и 16, образуя зарядную цепь накопительного конденсатора 8 - фаза А питающей сети 5, контакт 15 реле, предохранитель 18, зарядный резистор 2, диод катодной (анодной, в зависимости от полярности напряжения U) группы трехфазного выпрямительного моста 6, подключенный к фазе А, накопительный конденсатор 8, диод анодной (катодной, в зависимости от полярности напряжения U) группы трехфазного выпрямительного моста 6, подключенный к фазе В, предохранитель 19, контакт 16 реле и фаза В питающей сети 5. При положительной полуволне напряжения U будут работать диод катодной группы, подключенный к фазе А, и диод анодной группы, подключенный к фазе В, и наоборот при отрицательной полуволне напряжения U будут работать диод анодной группы, подключенный к фазе А, и диод катодной группы, подключенный к фазе В. Таким образом, схема заряда представляет собой однофазный двухполупериодный выпрямитель с ограничением тока заряда зарядным резистором 2 на стороне переменного тока. При этом процесс нарастания напряжения на конденсаторе носит экспоненциальный характер с постоянной времени, определяемой параметрами сопротивления зарядного резистора 2 и параметрами емкости накопительного конденсатора 8. Ток изменяется по величине обратной эксцоненциальной зависимости от максимального значения ограниченного величиной сопротивления зарядного резистора 2 до нуля с той же постоянной времени. После окончания процесса заряда система управления 1 включит катушку 4 контактора, который замкнет свои контакты 3, зашунтировав работу зарядной цепи, после чего система управления 1 отключит катушку 17 реле, которое отключит контакты 15 и 16. Таким образом обеспечится подключение преобразователя частоты к питающей сети 5 контактами 3 контактора и начинается работа инвертора напряжения 7 по заданному алгоритму. Контакты 15 и 16 реле должны быть рассчитаны на коммутацию зарядного тока накопительного конденсатора 8. Предохранители 18 и 19 защищают зарядную цепь и весь преобразователь частоты от короткого замыкания в звене постоянного тока либо на входе трехфазного выпрямительного моста 6. В случае короткого замыкания в звене постоянного тока либо на входе трехфазного выпрямительного моста 6 ток, потребляемый из сети 5, будет ограничен лишь величиной зарядного резистора 2, при этом действующее значение тока будет неизменно, что приведет к срабатыванию предохранителей 18 и (или) 19 и отключению преобразователя частоты от питающей сети 5. Достоинством предложенного устройства является простота, надежность, минимальные массогабаритные характеристики и то, что преобразователь не находится под сетевым напряжением, когда разомкнуты контакты 15, 16 реле и контакты 3 контактора. Еще одним достоинством такой схемы является то, что зарядный резистор 2 находится под напряжением и ограничивает ток заряда накопительного конденсатора 8 только в процессе подготовки преобразователя частоты к работе на небольшом промежутке времени.
С целью уменьшения мощности рассеивания, выделяемого на зарядном резисторе 2, в схему преобразователя частоты, изображенную на Фиг. 2, может быть добавлен еще один зарядный резистор 21.
Для защиты преобразователя частоты во время работы от возможных коротких замыканий и перегрузки преобразователь частоты, изображенный на Фиг. 3, может быть снабжен автоматическим выключателем с электромагнитным расцепителем, содержащим силовые контакты 22 и катушку электромагнитного расцепителя 23. Работа схемы преобразователя частоты, изображенного на Фиг. 3, аналогична работе преобразователя частоты, изображенного на Фиг 1, за тем исключением, что в процессе работы преобразователя частоты в случае перегрузки либо короткого замыкания силовые контакты 22 автоматического выключателя с электромагнитным расцепителем, сработав от тока перегрузки либо токов короткого замыкания, отключат преобразователь частоты от питающей сети 5.
С целью защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током преобразователь частоты, изображенный на Фиг. 4, может быть дополнительно снабжен нормально замкнутым контактом 24 контактора и нормально замкнутым контактом 25 реле. В тот момент, когда преобразователь отключается от питающей сети 5 после штатной работы преобразователя частоты, контакты 24 контактора и 25 реле замкнутся и произведут принудительный разряд накопительного конденсатора 8 на тормозной резистор 13, обеспечив защиту обслуживающего персонала.
Таким образом, предлагаемое устройство существенно упрощает конструкцию преобразователя, повышает надежность, безопасность обслуживающего персонала и эффективность работы, упрощает его изготовление, монтаж и эксплуатацию, снижает вес, габариты и стоимость.