ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОТВЕТСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ

Полезная модель относится к области регулируемого электропривода и может быть использована в ответственных электроприводах механизмов непрерывного действия, технологические режимы которых не допускают внеплановых остановок при кратковременных нарушениях электроснабжения.
Известно устройство для регулирования частоты напряжения питания электродвигателей переменного тока, содержащее основной и резервный выпрямители, входы которых подключены к основному и резервному вводам электропитания соответственно, а выходы через емкостной фильтр соединены с входами инвертора напряжения, выход которого подключен к двигателю переменного тока (см. патент РФ №32333, H02P 5/00).
Недостатком известного устройства является низкая надежность бесперебойной работы электропривода при колебаниях напряжения на вводах электропитания или динамическом изменении потребления тока инвертором, что приводит к бесконтрольному переключению электропитания преобразователя частоты с одного ввода электропитания на другой. Кроме того, бесконтрольное переключение создает проблему для других потребителей подключенных к этим же вводам электропитания, которая проявляется в виде снижения напряжения.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является преобразователь частоты для электропривода непрерывного действия, содержащий основной и резервный выпрямители, минусовые выводы которых соединены с минусовым выводом емкостного фильтра, выходы последнего соединены с входами инвертора напряжения, выходы которого подключены к двигателю переменного тока, блок управления, первый и второй входы которого соединены соответственно с основным и резервным вводами электропитания, а третий и четвертый входы блока управления соединены соответственно с датчиками тока основного и резервного выпрямителей, через которые основной и резервный выпрямители подключены к соответствующим вводам электропитания. Указанный аналог может быть использован для электропривода ответственных механизмов (см. патент РФ №120294, H02M 5/40).
Недостатком данного устройства является низкая надежность бесперебойной работы электропривода, обусловленная наличием сложного электронного оборудования в виде статического компенсатора, установленная мощность которого равна мощности преобразователя частоты, что увеличивает ресурсоемкость известного устройства.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышении надежности бесперебойной работы электропривода при одновременном снижении ресурсоемкости заявляемого устройства.
Технический результат, создаваемый полезной моделью, заключается в выравнивании токов основного и резервного выпрямителей, путем перераспределения передаваемой электрической энергии с основного или резервного вводов электропитания и передачи малой ее части емкостному фильтру преобразователя частоты через последовательно включенные преобразователи постоянного тока в постоянный ток.
Поставленная задача достигается тем, что преобразователь частоты для электропривода ответственных механизмов, содержащий основной и резервный выпрямители, минусовые выводы которых соединены с минусовым выводом емкостного фильтра, выходы последнего соединены с входами инвертора напряжения, выходы которого подключены к двигателю переменного тока, блок управления, первый и второй входы которого соединены соответственно с основным и резервным вводами электропитания, а третий и четвертый входы блока управления соединены соответственно с датчиками тока основного и резервного выпрямителей, через которые основной и резервный выпрямители подключены к соответствующим вводам электропитания, согласно изменению, он снабжен первым и вторым преобразователями постоянного тока в постоянный ток, которые содержат высокочастотный инвертор напряжения, высокочастотный трансформатор, первый и второй диоды, дополнительный емкостной фильтр, плюсовой вывод которого соединен с катодами первого и второго диодов и плюсовым выводом емкостного фильтра, минусовой вывод дополнительного емкостного фильтра соединен со средней точкой вторичной обмотки высокочастотного трансформатора, а начало и конец вторичной обмотки высокочастотного трансформатора подключены соответственно к анодам первого и второго диодов, первичная обмотка высокочастотного трансформатора через высокочастотный инвертор напряжения подключена к емкостному фильтру, при этом управляющий вход высокочастотного инвертора напряжения первого и второго преобразователей постоянного тока в постоянный ток соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, плюсовые выводы основного и резервного выпрямителей соединены соответственно с минусовыми выводами дополнительного емкостного фильтра первого и второго преобразователей постоянного тока в постоянный ток.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема преобразователя частоты.
Заявляемое устройство содержит основной 1 и резервный 2 выпрямители, минусовые выводы которых соединены с минусовым выводом емкостного фильтра 3, выходы последнего соединены с входами инвертора напряжения 4, выходы которого подключены к двигателю переменного тока 5. Устройство также содержит блок управления 6, первый и второй входы которого соединены соответственно с основным 7 и резервным 8 вводами электропитания. Третий и четвертый входы блока управления 6 соединены соответственно с датчиками тока 9 и 10 основного и резервного выпрямителей, через которые основной 1 и резервный 2 выпрямители подключены к соответствующим вводам электропитания 7, 8. Устройство снабжено первым 11 и вторым 12 преобразователями постоянного тока в постоянный ток. Каждый из преобразователей содержит высокочастотный инвертор напряжения 13, высокочастотный трансформатор 14, первый 15 и второй 16 диоды, дополнительный емкостной фильтр 17. Плюсовой вывод указанного фильтра 17 соединен с катодами первого 15 и второго 16 диодов и плюсовым выводом емкостного фильтра 3. Минусовой вывод дополнительного емкостного фильтра 17 соединен со средней точкой вторичной обмотки высокочастотного трансформатора 14, а начало и конец вторичной обмотки высокочастотного трансформатора 14 подключены соответственно к анодам первого 15 и второго 16 диодов. Первичная обмотка высокочастотного трансформатора 14 через высокочастотный инвертор напряжения 13 подключена к емкостному фильтру 3. При этом управляющий вход высокочастотного инвертора напряжения 13 первого 11 и второго 12 преобразователей постоянного тока в постоянный ток соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления 6. Плюсовые выводы основного 1 и резервного 2 выпрямителей соединены соответственно с минусовыми выводами дополнительного емкостного фильтра 17 первого 11 и второго 12 преобразователей постоянного тока в постоянный ток.
Отличительная особенность заявляемого технического решения заключается в выравнивании токов основного и резервного выпрямителей за счет применения высокочастотных преобразователей постоянного тока в постоянный ток в цепи заряда емкостного фильтра. В результате чего осуществляется перераспределение передаваемой электрической энергии с основного или резервного вводов электропитания, и передачи малой ее часть с помощью высокочастотного преобразователя постоянного тока в постоянный ток емкостному фильтру преобразователя частоты. Применение высокочастотного преобразователя постоянного тока в постоянный ток позволяет осуществить одинаковую загрузку основного и резервного выпрямителей, а также существенно упростит схему построения преобразователя частоты, снизить его ресурсоемкость. Это приводит к повышению надежности бесперебойной работы электропривода ответственных механизмов.
Преобразователь частоты работает следующим образом. Блок управления 6 контролирует величину напряжения основного 7 и резервного 8 вводов электропитания и токи основного и резервного выпрямителей с датчиков тока 9, 10. При колебаниях напряжения на вводах электропитания 7, 8 в условиях нормального электроснабжения или при динамическом изменении потребления тока инвертором напряжения 4 блок управления 6 по сигналам с датчиков тока 9 и 10 подает команду «выравнивание токов» первому 11 и второму 12 преобразователям постоянного тока в постоянный ток. Равенство токов основного 1 и резервного 2 выпрямителей достигается путем изменения напряжения на дополнительном емкостном фильтре 17 первого 11 и второго 12 преобразователей постоянного тока в постоянный ток. Необходимо, чтобы сумма выпрямленного напряжения основного выпрямителя 1 и напряжение на дополнительном емкостном фильтре 17 первого 11 преобразователя постоянного тока в постоянный ток была равна сумме выпрямленного напряжения резервного выпрямителя 2 и напряжение на дополнительном емкостном фильтре 17 второго 12 преобразователя постоянного тока в постоянный ток. При выполнении указанного условия токи через основной выпрямитель и резервный выпрямитель будут равны.
Допустим, напряжение на основном вводе электропитания 7 станет больше, чем напряжение на резервном вводе электропитания 8. Тогда ранее указанная сумма напряжений по основному вводу электропитания 7 станет больше, чем соответствующая сумма напряжений по резервному вводу электропитания 8. При этом ток через основной выпрямитель 1 окажется больше, чем ток через резервный выпрямитель 2, т.е. выпрямители будут загружены неравномерно, что нежелательно. Для рассматриваемого случая датчики тока 9 и 10 формируют соответствующие информационные сигналы для блока управления 6. Последний подает сигнал управления «выравнивание токов» на высокочастотный инвертор напряжения 13 второго 12 преобразователя постоянного тока в постоянный ток. При этом высокочастотный инвертор напряжения 13 через высокочастотный трансформатор 14 и нулевую схему выпрямления со средней точкой на диодах 15, 16 увеличивает напряжение на дополнительном емкостном фильтре 17. В результате сумма ранее указанных напряжений на резервном вводе электропитания увеличивается. Когда эта сумма станет равна ранее указанной сумме напряжений по основному вводу электропитания токи по вводам электропитания и через выпрямители выровняются. Таким образом, команда с блока управления 6 «выравнивание токов» будет выполнена, а выпрямители будут загружены одинаково.
Для рассматриваемого случая, когда напряжение на основном вводе электропитания 7 больше, чем напряжение на резервном вводе электропитания 8 выравнивание ранее указанных сумм напряжений по основному и резервному вводам электропитания может быть осуществлено и за счет снижения напряжения на дополнительном емкостном фильтре 17 первого 11 преобразователя постоянного тока в постоянный ток. При этом с блока управления 6 подают сигнал управления «выравнивание токов» на высокочастотный инвертор напряжения 13 первого 11 преобразователя постоянного тока в постоянный ток.
Описанные способы выравнивания напряжений и токов на основном и резервном вводах электропитания могут быть применены как раздельно, так и одновременно. В последнем случае выравнивание напряжений и токов через основной выпрямитель 1 и резервный выпрямитель 2 осуществляется за более короткий промежуток времени, что повышает быстродействие предлагаемого устройства. При этом под действием сигналов управления с блока управления 6 напряжение на одном дополнительном емкостном фильтре 17 может достигать максимальное значения, что составляет 10% от номинального выпрямленного напряжения основного 1 или резервного 2 выпрямителей, а на другой - минимальное значение равное нулю. В первом случае выходное напряжение высокочастотного инвертора напряжения 13 максимальное, что достигается при задание единичного значения коэффициента модуляции высокочастотного инвертора напряжения. Во втором случае задают значение коэффициента модуляции высокочастотного инвертора напряжения равно нулю, при этом напряжение на дополнительном емкостном фильтре 17 также равно нулю. Таким образом, изменяя коэффициенты модуляции высокочастотных инверторов напряжения 13 можно регулировать напряжения на дополнительных емкостных фильтрах 17 от нуля до максимального значения. При этом энергия на дополнительный емкостной фильтр 17 поступает с емкостного фильтра 3, если необходимо увеличивать на нем напряжение. Если напряжение на дополнительном емкостном фильтре 17 снижается, то его запасенная энергия отдается емкостному фильтру 3.
В случае если напряжение на резервном вводе электропитания 8 станет больше, чем напряжение на основном вводе электропитания 7 работа заявляемого устройства осуществляется аналогично вышеописанному режиму, но с работой первого 11 преобразователя постоянного тока в постоянный ток.
Отметим, что применение преобразователя постоянного тока в постоянный ток на основе высокочастотного инвертора напряжения 13 и высокочастотного трансформатора 14 в цепи заряда емкостного фильтра 3 позволяют существенно снизить массогабаритные показатели заявляемого устройства и его ресурсоемкость за счет повышенной частоты работы высокочастотного трансформатора.
В случае снижения напряжения на основном вводе электропитания 7 до заданной минимальной величины блок управления 6 переводит преобразователи постоянного тока в постоянный ток 11 и 12 в аварийный режим. При этом на высокочастотные инверторы напряжения 13 первого 11 и второго 12 преобразователей постоянного тока в постоянный ток подаются сигналы управления, которые соответствуют нулевому значению коэффициента модуляции высокочастотного инвертора напряжения. Напряжения на обоих дополнительных емкостных фильтрах 17 будет равно нулю. При этом выпрямленное напряжение на выходе резервного выпрямителя 2 станет больше, чем выпрямленное напряжение на выходе основного выпрямителя 1, это вызовет запирание вентилей основного выпрямителя 1. Произойдет мгновенный переход на электропитание инвертора напряжения 4 только от резервного ввода электропитания 8. Выпрямленный ток резервного выпрямителя будет протекать по вторичным обмоткам высокочастотного трансформатора 14 и первому 15 и второму 16 диодам. Таким образом, в течение всего времени нарушения электроснабжения по основному вводу электропитания 7 инвертор напряжения 4 получает электропитание от резервного ввода электропитания 8, обеспечивая устойчивую работу двигателя переменного тока 5.
В случае снижения напряжения на резервном вводе электропитания 8 до заданной минимальной величины работа заявляемого устройства осуществляется аналогично вышеописанному аварийному режиму, но инвертор напряжения 4 получает электропитание от основного ввода электропитания 7.
После восстановления нормального электроснабжения блок управления 6 выдает команду «выравнивание токов» первому 11 и второму 12 преобразователям постоянного тока в постоянный ток и электропитание инвертора напряжения 4 осуществляется одновременно от основного 7 и резервного 8 вводов электропитания.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет повысить надежность бесперебойной работы частотно-регулируемого электропривода ответственных механизмов при колебаниях напряжения на вводах электропитания. Это обусловлено тем, что перераспределение передаваемой электрической энергии и передача малой ее части с основного или резервного вводов электропитания емкостному фильтру преобразователя частоты приводит к выравниванию токов основного и резервного выпрямителей, т.е. к их одинаковой загрузке. Передача емкостному фильтру части электрической энергии осуществляется преобразователями постоянного тока в постоянный ток, схема построения которых проста и выполнена на высокочастотном инверторе напряжения, высокочастотном трансформаторе и нулевой схеме выпрямителе со средней точкой, что существенно снижает ресурсоемкость заявляемого устройства. Кроме того, в случае нарушения электроснабжения по одному из вводов электропитания заявляемое устройство обеспечивает автоматическое переключение на другой ввод, что позволяет поддерживать устойчивую работу электропривода ответственных механизмов.