ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к статическим преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии.
Известно устройство преобразователя частоты (научная статья, автор Грузов В. Л. «Сравнительный анализ алгоритмов управления автономными инверторами напряжения в асинхронных электроприводах», «Электротехника», декабрь 2001, с.34-40), содержащее 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, каждый из которых подключен параллельно силовым контактам входного контактора, один из выводов резистора подключен к фазе питающей сети, 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 преобразователем частоты, так как он постоянно находится под питающим напряжением. К недостаткам известного устройства также относится отсутствие защитных элементов цепи заряда.
Известен преобразователь частоты (патент RU 2488937 C2, МПК Н02M5/00, опубл. 27.07.2013 г.), содержащий инвертор напряжения, накопительный конденсатор, тормозную цепочку, неуправляемый выпрямитель напряжения и зарядную цепочку. Зарядная цепочка состоит из трех диодов, зарядного резистора и силового трехфазного контактора. Заряд накопительного конденсатора производится с использованием трех слаботочных диодов, трех диодов анодной группы силового выпрямителя, а также зарядного резистора. После заряда накопительного конденсатора происходит подключение трех диодов катодной группы силового выпрямителя к силовой цепи с использованием контактора. Достоинством такой схемной реализации является повышение надежности устройства и упрощение его конструкции.
Недостаток устройства заключается в необходимости использования силового трехфазного контактора, имеющего три силовых контакта, которые имеют ограниченное число включений - отключений. Кроме того, требуется регулярное наблюдение за преобразователем частоты, так как он постоянно находится под питающим напряжением. К недостаткам известного устройства так же следует отнести отсутствие защитных элементов цепи заряда.
Наиболее близким по технической сущности является преобразователь частоты (патент RU 2591055 C1, МПК Н02M5/458, опубл. 10.07.2016 г.), содержащий инвертор напряжения, накопительный конденсатор, тормозную цепочку, полууправляемый выпрямитель напряжения и зарядную цепочку. Полууправляемый выпрямитель напряжения собран по схеме трехфазного двухполупериодного устройства с использованием трех диодов анодной группы и трех тиристоров катодной группы. Зарядная цепочка состоит из трех слаботочных диодов, зарядного резистора, предохранителя и реле напряжения, состоящего из контакта и катушки, подключенной к системе управления. Заряд накопительного конденсатора производится с использованием трех слаботочных диодов, соединенных катодами, трех диодов анодной группы силового полууправляемого выпрямителя, а также зарядного резистора цепи заряда накопительного конденсатора. При этом цепь заряда накопительного конденсатора коммутируется с использованием контакта реле напряжения. После заряда накопительного конденсатора происходит включение, и полное открытие трех тиристоров катодной группы силового полууправляемого выпрямителя при этом набирается силовая схема преобразователя частоты и он может осуществлять работу в штатном режиме. Достоинством такой схемной реализации является повышение надежности преобразователя частоты, упрощение конструкции.
Недостатком устройства является необходимость питания системы управления преобразователя частоты от питающей сети со стороны переменного тока, что при аварийном отключении напряжения в питающей сети может привести к сбою, неисправностям и возникновению аварийных режимов при работе преобразователя частоты. К недостаткам также относится использование в преобразователе реле напряжения, имеющего ограниченное число включений и требующего периодического обслуживания и ремонта.
Предлагаемый преобразователь частоты позволяет осуществлять питание системы управления от накопительного конденсатора, установленного в звене постоянного тока, что позволит повысить энергетическую эффективность и автономность работы системы управления в случае отключения силового питания. Кроме того, предложенная схема преобразователя частоты позволяет упростить конструкцию устройства, повысить надежность, эффективность и улучшить габаритные и эксплуатационные характеристики, а также автоматизировать процесс заряда накопительного конденсатора преобразователя частоты.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: преобразователь частоты, (содержащий, как и прототип, систему управления, трехфазный двухполупериодный полууправляемый выпрямитель напряжения, инвертор напряжения, тормозную цепочку, накопительный конденсатор, зарядный резистор, предохранитель и датчик напряжения, причем трехфазный двухполупериодный полууправляемый выпрямитель напряжения собран на трех диодах анодной группы соединения и трех тиристорах катодной группы соединения, причем вход трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения подключен к фазам питающей сети, а к положительному полюсу трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения подключены положительные полюса автономного инвертора напряжения, тормозной цепочки, накопительного конденсатора и измерительный положительный вывод датчика напряжения, к отрицательному полюсу трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения подключены отрицательные полюса автономного инвертора напряжения, тормозной цепочки, накопительного конденсатора и измерительный отрицательный вывод датчика напряжения, информационные выводы которого заведены в систему управления, зарядный резистор своим первым выводом соединен с первым выводом предохранителя), в отличие от прототипа, содержит блок питания, выполненный в виде преобразователя постоянного напряжения в постоянное и подключенный своим входом к положительному и отрицательному полюсам накопительного конденсатора, а выход блока питания подключен к системе управления, при этом второй вывод предохранителя подключен к аноду любого тиристора трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения, а второй вывод зарядного резистора подключен к положительному полюсу трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения.
Кроме того (для автоматизации процесса заряда накопительного конденсатора и подготовки преобразователя частоты к работе сразу же после подачи питания на его вход) преобразователь частоты может быть снабжен дополнительным реле напряжения с катушкой и тремя нормально разомкнутыми контактами, дополнительными тремя резисторами и тремя конденсаторами, причем каждому из трех тиристоров трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения независимо подключена отдельная цепочка, состоящая из конденсатора резистора и нормально разомкнутого контакта реле, таким образом, что первый вывод конденсатора подключен к катоду тиристора, второй вывод конденсатора подключен к управляющему электроду тиристора, к которому подключен первый вывод резистора, второй вывод которого через нормально разомкнутый контакт реле подключен к аноду тиристора, при этом катушка реле напряжения подключена параллельно накопительному конденсатору. Такое схемное решение позволит значительно сократить время инициализации, включения и подготовки преобразователя частоты к работе.
Кроме того (для увеличения времени автономной работы системы управления преобразователя частоты при отсутствии питающего напряжения) преобразователь частоты может быть снабжен дополнительным аккумулятором, резистором и диодом, причем первый вывод дополнительного резистора соединен с положительным выводом выхода блока питания и катодом диода, анод которого соединен со вторым выводом дополнительного резистора и положительным выводом аккумулятора, отрицательный вывод которого соединен с отрицательным выводом выхода блока питания.
Сущность изобретения заключается в возможности питания системы управления преобразователя частоты от отдельного источника питания, роль которого выполняет накопительный конденсатор, а также автоматизировать заряда накопительного конденсатора преобразователя и сократить время подготовки преобразователя частоты к работе. Это позволит повысить энергетическую эффективность и автономность работы системы управления в случае аварийного отключения питания, а также значительно сократить время инициализации и включения преобразователя частоты в работу.
Сопоставление предлагаемого изобретения и прототипа показало, что поставленные задачи – автоматизация процесса заряда накопительного конденсатора и сокращение срока подготовки преобразователя частоты к работе, а также увеличение автономности работы системы управления при отключении питания - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемых изобретений критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электротехники не выявил отдельных отличительных признаков заявляемых изобретений, что позволяет сделать вывод о их соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретений поясняется чертежами, где:
на Фиг.1 – представлена базовая схема преобразователя частоты;
на Фиг.2 – представлена схема преобразователя частоты, дополненная реле напряжения с катушкой и тремя нормально разомкнутыми контактами, дополнительными тремя резисторами и тремя конденсаторами;
на Фиг.3 - представлена схема преобразователя частоты, дополненная аккумулятором, резистором и диодом;
на Фиг.4 - представлена схема преобразователя частоты, трехфазный двухполупериодный полууправляемый, выпрямитель которого выполнен на основе тиристоров анодной группы и диодов катодной группы соединения.
Предлагаемый преобразователь частоты (Фиг.1) содержит: систему управления 1, трехфазный двухполупериодный полууправляемый выпрямитель напряжения 2, инвертор напряжения 3, тормозную цепочку 4, накопительный конденсатор 5, зарядный резистор 6, предохранитель 7 и датчик напряжения 8. Трехфазный двухполупериодный полууправляемый выпрямитель напряжения 2 собран на трех диодах 9, 10, 11 анодной группы соединения и трех тиристорах 12, 13, 14 катодной группы соединения. Вход трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 подключен к фазам питающей сети 15. К положительному полюсу трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 подключены положительные полюса автономного инвертора напряжения 3, тормозной цепочки 4, накопительного конденсатора 5 и измерительный положительный вывод датчика напряжения 8. К отрицательному полюсу трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 подключены отрицательные полюса автономного инвертора напряжения 3, тормозной цепочки 4, накопительного конденсатора 5, и измерительный отрицательный вывод датчика напряжения 8. Информационные выводы датчика напряжения 8 заведены в систему управления 1. Зарядный резистор 6 своим первым выводом соединен с первым выводом предохранителя 7. Преобразователь частоты содержит блок питания 16, выполненный в виде электрического преобразователя постоянного напряжения в постоянное, подключенный своими входами к положительному и отрицательному полюсам накопительного конденсатора 5. Выход блока питания 16 подключен к системе управления 1. Второй вывод предохранителя 7 подключен к аноду любого тиристора 12 (13, 14) трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2. Второй вывод зарядного резистора 6 подключен к положительному полюсу трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2.
Преобразователь частоты (Фиг.2) может быть снабжен дополнительным реле напряжения с катушкой 17 и тремя нормально разомкнутыми контактами 18, 19, 20, дополнительными тремя резисторами 21, 22, 23 и тремя конденсаторами 24, 25, 26. Каждому из трех тиристоров 12 (13, 14) трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 независимо подключена отдельная цепочка, состоящая из конденсатора 24 (25, 26) резистора 21 (22, 23) и нормально разомкнутого контакта 18 (19, 20) реле. Причем первый вывод конденсатора 24 (25, 26) подключен к катоду тиристора 12 (13, 14), второй вывод конденсатора 24 (25, 26) подключен к управляющему электроду тиристора 12 (13, 14), к которому подключен первый вывод резистора 21 (22, 23), второй вывод которого через нормально разомкнутый контакт 18 (19, 20) реле подключен к аноду тиристора 12 (13, 14). Катушка 17 реле напряжения подключена параллельно накопительному конденсатору 5.
Преобразователь частоты (Фиг.3) может быть снабжен дополнительными аккумулятором 18, резистором 19 и диодом 20. Первый вывод дополнительного резистора 19 соединен с положительным выводом выхода блока питания 16 и катодом диода 20. Анод диода 20 соединен со вторым выводом дополнительного резистора 19 и положительным выводом аккумулятора 18. Отрицательный вывод аккумулятора 18 соединен с отрицательным выводом выхода блока питания 16.
Работа преобразователя частоты происходит следующим образом.
При подключении преобразователя частоты (Фиг.1) к питающей сети 15 и при наличии напряжения на фазных выводах А, В, С начинается заряд накопительного конденсатора 5 по цепи фаза А питающей сети 15, предохранитель 7, зарядный резистор 6, накопительный конденсатор 5 и один из диодов 10 или 11 анодной группы соединения трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 в зависимости от того, какой из потенциалов в данный момент времени меньше фазы В или фазы С относительно фазы А питающей сети. Тиристоры 12, 13, 14 катодной группы трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 находятся в запертом состоянии. Таким образом, образуется однофазный однополупериодный выпрямитель, который осуществляет заряд накопительного конденсатора 5. Зарядный резистор 6 осуществляет ограничение тока заряда накопительного конденсатора 5. При этом напряжение на конденсаторе 5 будет нарастать по экспоненциальному закону, определяемому номиналом сопротивления зарядного резистора 6 и величины емкости накопительного конденсатора 5. Датчик напряжения 8, подключенный измерительными выводами параллельно конденсатору 5, выдает информацию по информационным выводам об уровне напряжения в звене постоянного тока преобразователя частоты в систему управления 1. При достижении уровня напряжения в звене постоянного тока, близкого к номинальному произойдет включение тиристоров 12, 13, 14 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 по сигналу с системы управления 1. Включение тиристоров 12, 13, 14 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 обеспечит набор штатной  схемы преобразователя частоты и выполнит «силовое» подключение преобразователя частоты к питающей сети 15, и начинается работа инвертора напряжения 3 и целиком всего преобразователя частоты по заданному алгоритму управления. Предохранитель 7 осуществляет защиту преобразователя частоты от аварийной ситуации в процессе заряда, например, в случае короткого замыкания в звене постоянного тока преобразователя частоты. В случае короткого замыкания в звене постоянного тока и перегорания предохранителя 7 при заряде накопительного конденсатора 5 преобразователь частоты не сможет работать, пока не будет, произведена его диагностика и выполнен ремонт. При этом сгоревший предохранитель 7 не допустит продолжения работы неисправного преобразователя частоты и обострения аварийной ситуации.
Предлагаемое схемное решение при своей простоте позволяет обеспечить автоматизированный заряд накопительного конденсатора 5 при подаче напряжения на выводы А, В, С питающей сети 15 и осуществить бестоковую коммутацию преобразователя частоты к питающей сети при подключении или отключении тиристоров 12, 13, 14 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2. При этом система управления 1 может быть запитана непосредственно от накопительного конденсатора 5 и при аварийном отключении основной питающей сети 15 система управления 1 может получать, сохранять и анализировать информацию с датчиков преобразователя частоты. Положительный результат предложения достигается за счет того, что в случае пропадания напряжения на фазах питающей сети 15, а затем его появлении выполняется автоматизированный заряд накопительного конденсатора 5 и подготовка преобразователя частоты к работе.
Для автоматизации процесса набора штатной схемы преобразователя частоты и «силового» подключения преобразователя частоты к питающей сети 15 в преобразователях небольшой мощности схема преобразователя частоты, изображенная на Фиг.2 может быть снабжена дополнительными реле напряжения с катушкой 17 и тремя нормально разомкнутыми контактами 18, 19, 20, тремя резисторами 21, 22, 23 и тремя конденсаторами 24, 25, 26. Данная схема позволяет автоматизировать процесс заряда, набора штатной схемы и «силового» подключения преобразователя частоты к питающей сети 15 без использования системы управления 1. Такое схемное решение позволит уменьшить число задействованных каналов управления системы управления 1 и упростить ее. Кроме того, такое схемное решение позволит произвести автоматизированное отключение (без участия системы управления 1) тиристоров 12, 13, 14 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 преобразователя частоты в случае возникновения короткого замыкания в звене постоянного тока во время работы преобразователя частоты. Катушка 17 реле напряжения не позволит включить тиристоры 12, 13, 14 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 преобразователя частоты в случае наличия короткого замыкания в звене постоянного тока. При этом конденсаторы 24, 25, 26 предотвращают самопроизвольное открытие тиристоров 12, 13, 14. Резисторы 21, 22, 23 задают и ограничивают ток управляющих электродов тиристоров 12, 13, 14, а нормально разомкнутые контакты 18, 19, 20 реле производят управление открытием либо закрытием тиристоров 12, 13, 14 коммутируя ток управляющих электродов.
Для увеличения времени автономной работы системы управления 1 преобразователя частоты (Фиг.3) при отсутствии напряжения в питающей сети 15 преобразователь частоты может быть снабжен дополнительным аккумулятором 18, резистором 19 и диодом 20. При этом при наличии напряжения в питающей сети 15 и штатной работе преобразователя частоты происходит зарядка аккумулятора 18 от блока питания 16 по цепи положительный вывод выхода блока питания 16, дополнительный резистор 19, аккумулятор 18 и отрицательный вывод выхода блока питания. Ток заряда аккумулятора 18 ограничен сопротивлением дополнительного резистора 19. В случае отключения напряжения в питающей сети 15 и при быстрой разрядке накопительного конденсатора 5 блок питания 16 прекращает свою работу и снижает вплоть до нуля напряжение на своём выходе. Как только напряжение на выходе блока питания 16 станет меньше чем напряжение аккумулятора 18, диод 20 открывается и обеспечивает питание системы управления от аккумулятора 18. При этом дополнительный резистор 19 зашунтирован диодом 20 и не участвует в процессе питания системы управления 1 от аккумулятора 18.
Следует отметить, что схема преобразователя частоты, изображенная на Фиг.1 и предложенная идея может быть реализована с использованием анодной группы тиристоров 12, 13, 14 и катодной группы диодов 9, 10, 11 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 с помощью схемы преобразователя частоты изображенного на Фиг. 4. Работа преобразователя частоты изображенного на Фиг. 4 осуществляется аналогично работе преобразователя частоты изображенного на Фиг. 1 и не требует дополнительных пояснений.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить автоматизированный процесс заряда накопительного конденсатора, а также осуществить питание системы управления преобразователя частоты от накопительного конденсатора, установленного в звене постоянного тока, что позволит системе управления преобразователя частоты продолжать работать в случае отключения напряжения в питающей сети. Это, в свою очередь, позволяет повысить надежность и улучшить эксплуатационные характеристики устройства. Дополнительными достоинствами предлагаемого технического решения являются простота конструкции преобразователя, его изготовления и монтажа, а также уменьшение веса, габаритов и стоимости изделия.
Изобретение было создано на кафедре «Электропривода и электрооборудования береговых установок» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» и апробировано на имитационной математической модели. Полученные результаты позволяют сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».