Система и способ предварительного заряда блока конденсаторов силовых ячеек преобразователя частоты
SYSTEM AND METHOD OF PRE-CHARGING THE CAPACITOR BANK OF THE POWER CELLS OF THE FREQUENCY CONVERTER

Заявляемое в качестве изобретения, техническое решение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям среднего и высокого напряжения.
В известных из уровня техники преобразователях частоты (ПЧ), обычно, используется схема предварительного заряда конденсаторов. С помощью этой схемы обеспечивается предварительный заряд конденсаторов звена постоянного тока (ЗПТ) силовых ячеек (СЯ). Ток заряда не должен превышать максимального тока инверсного диода выключаемого силового полупроводникового прибора преобразователя электроэнергии на стороне сети. В случае отсутствия предварительного сопротивления, может возникать ток заряда, который может превышать максимальный ток диодов на стороне сети, что может привести к разрушению этих диодов, а также выходу из строя конденсаторов ЗПТ. При достижении, например, 80% максимального состояния заряда конденсаторов ЗПТ, схему предварительного заряда переключают с помощью контактора. За счет этого преобразователь частоты на стороне сети соединяется через многообмоточный трансформатор, с нагрузкой обеспечивая работу в штатном режиме.
Из патентной заявки США, US 20080239432, МПК H02H7/125 известно устройство и метод предварительного заряда накопительного конденсатора электрического преобразователя, содержащее входной контактор, 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 двух дополнительных контакторов и зарядного резистора.
Из патента на изобретение США, US7965529B2, МПК H02M7/062 известен сетевой инвертор среднего напряжения и цепь предварительного заряда для него, который содержит входной изолирующий трансформатор, имеющий трехфазный вход и трехфазный выход, преобразователь, имеющий трехфазный вход, электрически соединенный с трехфазным выходом входного изолирующего трансформатора. Схема предварительного заряда включает в себя цепь феррорезонансного трансформатора, имеющую первичную обмотку, предназначенную для ввода низкого напряжения и вторичную обмотку, предназначенную для вывода среднего напряжения и обеспечивающую источник постоянного тока.
К недостаткам описанного технического решения, можно отнести необходимость включения в схему заряда отдельного низковольтного источника питания, а также отсутствие возможности регулирования параметров напряжения и тока заряда конденсаторов.
Также, из уровня техники известен способ и система предварительного заряда инвертора с использованием вспомогательной обмотки трансформатора (изобретение США US8223515B2, МПК H02M7/49). Модуль трансформатора включает в себя основную первичную обмотку, соединенную с первым источником входного питания, для приема сигнала среднего напряжения, несколько основных вторичных обмоток, каждая из которых соединена с силовым элементом приводной системы, и вспомогательную первичную обмотку, соединенную со вторым источником входного питания для получения сигнала низкого напряжения. Вспомогательная первичная обмотка может быть пространственно отделена от главных обмоток для увеличения индуктивности рассеивания.
К недостаткам описанного технического решения, можно отнести отсутствие возможности регулирования параметров напряжения и тока заряда конденсаторов.
Техническое решение, описанное в патенте US8223515B2, принято в качестве ближайшего аналога.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является реализация полностью управляемой по уровню напряжения и току, схемы предварительного заряда блока конденсаторов, звена постоянного тока силовых ячеек преобразователя частоты.
Технический результат, достигнутый от реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении эксплуатационных возможностей преобразователя частоты, а также в продлении срока службы отдельных элементов ПЧ и изделия в целом.
Сущность технического решения заключается в том, что система предварительного заряда блока конденсаторов, звена постоянного тока преобразователя частоты, реализована через отдельную низковольтную обмотку многообмоточного фазосдвигающего трансформатора (МФТ). Отдельная низковольтная обмотка МФТ, связана с выходным контактом тиристорного регулятора напряжения (ТРН), на входе которого, установлен блок датчиков тока заряда конденсаторов силовых ячеек (СЯ) преобразователя частоты, при этом ТРН связан с системой управления преобразователя частоты.
В преимущественном варианте реализации, система управления преобразователя частоты выполнена с возможностью управления зарядом конденсаторов силовых ячеек по току и по уровню напряжения посредством тиристорного регулятора напряжения.
Также, система управления преобразователя частоты, выполнена с возможностью полного тестирования систем преобразователя частоты без подачи высокого напряжения, посредством тестовой схемы включающей отдельную низковольтную обмотку МФТ.
Описанная система функционирует согласно заявленному способу работы. При включении в работу преобразователя частоты, в схему предварительного заряда блока конденсаторов СЯ включают ТРН, выход которого связан с отдельной низковольтной обмоткой МФТ, а на входе установлен блок датчиков тока заряда конденсаторов СЯ преобразователя частоты. В процессе предварительного заряда конденсаторов СЯ, посредством системы управления снимают показания с блока датчиков и формируют сигналы управления зарядом конденсаторов СЯ по току и по уровню напряжения, управляя указанным тиристорным регулятором напряжения.
Сущность заявленного изобретения поясняется, но не ограничивается приведенными графическими материалами:
фиг.1 – принципиальная схема предварительного заряда блока конденсаторов, звена постоянного тока силовых ячеек ПЧ;
фиг.2 – фрагмент принципиальной схемы силовой ячейки ПЧ, со звеном постоянного тока;
фиг.3 – блок-схема способа предварительного заряда блока конденсаторов, звена постоянного тока силовых ячеек ПЧ.
Заявленное изобретение может быть реализовано на платформе преобразователя частоты среднего или высокого напряжения.
Согласно предложенному варианту реализации, преобразователь частоты содержит помещенные в защитном корпусе элементы силовой схемы, в частности: многообмоточный фазосдвигающий трансформатор (МФТ) 1 (фиг.1), с набором вторичных обмоток высокого напряжения (ВН) 2, а также отдельной обмоткой низкого напряжения 3, выполненной с возможностью обеспечения питания внутренних систем и низковольтного оборудования преобразователя частоты.
Указанный МФТ установлен по входу ПЧ, первичная обмотка которого, соединена звездой и подключена к трехфазной сети питающего напряжения. Каждая группа вторичных обмоток отличается фазовым смещением трансформируемого напряжения. Такое техническое решение позволяет уменьшить влияние преобразователя частоты на питающую сеть.
Вторичные обмотки связаны с силовыми ячейками (СЯ) 4 для формирования выходного синусоидального напряжения. Силовая ячейка является двухзвенным преобразователем частоты и может быть выполнена по структуре преобразования ac-dc-ac.
Согласно заявляемому варианту реализации технического решения, СЯ могут быть выполнены по схеме неуправляемый выпрямитель – однофазный мостовой инвертор напряжения (H-Bridge).
Указанные силовые ячейки 4, оснащены блоком конденсаторов 5 (фиг.2) звена постоянного тока (ЗПТ).
Отсек коммутации ПЧ содержит автоматический выключатель 6 защиты цепи предзаряда, контактор 7 коммутации цепи предзаряд, а также вводной коммутационный аппарат 8 питающего напряжения. Автоматический выключатель 6 и контактор 7 подключены к отдельной обмотке 3 низкого напряжения, при этом коммутационный аппарат 8 подключен к набору обмоток ВН 2. Между контактором 7 коммутации и отдельной обмоткой 3 низкого напряжения (НН) в схему включен тиристорный регулятор 9 напряжения (ТРН) с набором датчиков 10 контроля тока заряда блока конденсаторов СЯ.
Система управления ПЧ может быть выполнена на базе промышленного контроллера, который обрабатывает информацию о работе преобразователя частоты и выдает управляющие сигналы при помощи собственных дискретных и аналоговых входов/выходов, а также при помощи модулей расширения (на изображениях не показаны).
Возможен также вариант реализации схемы предварительного заряда конденсаторов СЯ 4, при котором отдельная низковольтная обмотка 3 может быть выполнена в виде понижающего трансформатора (на изображениях не показан) собственных нужд, установленного в герметичном отсеке коммутации защитного корпуса преобразователя частоты.
В рабочем режиме ПЧ, напряжение с обмоток высокого напряжения  МФТ через диодный трехфазный выпрямитель 11 заряжает ёмкость блока конденсаторов 5, который может быть выполнен в виде группы соединенных между собой полипропиленовых конденсаторов. Накопленная электрическая энергия конденсаторов расходуется мостовым инвертором, состоящим из IGBT транзисторов 12, для формирования напряжения ШИМ на выходе ПЧ. Возможен вариант реализации, при котором силовые ячейки содержат байпас 13 с системой управления позволяющий выполнить, при необходимости, отключение ячейки. В случае выхода из строя СЯ, срабатывает байпас, установленный по выходу каждой СЯ. Управление байпасом разделено с системой управления ячейки, что обеспечивает его срабатывание при любом повреждении СЯ.
Согласно предложенному варианту схемы предварительного заряда блока конденсаторов ЗПТ преобразователя частоты, показанному на фиг.1, изобретение может работать следующим образом:
- при включении в работу преобразователя частоты (команда «Пуск»), в схему предварительного заряда блока 5 конденсаторов СЯ 4 включают ТРН 9, посредством коммутации обмотки низкого напряжения 3 контактором 7;
- выход ТРН 9 подключают к отдельной низковольтной обмотке 3 МФТ 1, при этом, на входе ТРН 9 установлен блок датчиков 10 тока заряда конденсаторов СЯ 4 преобразователя частоты,
- посредством системы управления ПЧ, снимают показания с блока датчиков 10 и формируют сигналы управления зарядом конденсаторов СЯ 4 по току и по уровню напряжения, управляя указанным тиристорным регулятором 9 напряжения, при этом системой управления ПЧ осуществляют постоянный контроль состояния СЯ 4. Такое решения позволяет обеспечить гибкое управления системой заряда блока конденсаторов и адаптировать схему предзаряда конденсаторов под разную мощность ПЧ и конструкцию СЯ;
- по достижении номинального значения заряда блок конденсаторов 5, выполняют перекоммутацию обмоток МФТ, при этом из схемы, посредством контактора 7, исключают отдельную низковольтную обмотку 3 и подают трехфазное питающее напряжение сети на нагрузку через набор вторичных обмоток ВН 2, посредством включения коммутационного аппарат 8;
- перед запуском ПЧ, на этапе предварительного заряда конденсаторов СЯ 4, системой управления ПЧ, осуществляют тестирование систем, при этом в схему тестирования включают отдельную низковольтную обмотку 3 МФТ. Такое решение позволяет выявить возможные риски в работе оборудования на раннем этапе и предотвратить аварийные режимы работы ПЧ.
Реализация описанной схемы и способа предварительного заряда блока конденсаторов силовых ячеек ПЧ, способствует достижению заявленного технического результат, позволяя расширить эксплуатационные возможностей преобразователя частоты, а также обеспечить бесперебойность работы и продолжительный срок службы отдельных элементов ПЧ и изделия в целом.