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.
Известен преобразователь частоты для электропривода непрерывного действия, содержащий основной и резервный выпрямители, выходы которых через емкостной фильтр соединены с входом инвертора напряжения, а выход последнего подключен к двигателю переменного тока, первый, второй и третий коммутационные аппараты, блок управления, первый и второй входы которого подключены к основному и резервному вводам электропитания соответственно, при этом первый, второй и третий выходы блока управления подключены соответственно к управляющим входам первого, второго и третьего коммутационных аппаратов, преобразователь снабжен первым и вторым датчиками тока, регулятором напряжения и вольтодобавочным трансформатором с двумя обмотками, один конец первой обмотки которого подключен к точке соединения первого и третьего коммутационных аппаратов, а другой конец указанной обмотки через первый датчик тока соединен с входом основного выпрямителя, при этом вход резервного выпрямителя через второй датчик тока подключен к точке соединения второго и третьего коммутационных аппаратов, информационные выходы первого и второго датчиков тока подключены соответственно к третьему и четвертому входам блока управления, четвертый выход блока управления подключен к управляющему входу регулятора напряжения, вход которого подключен к точке соединения первого и третьего коммутационных аппаратов, а его выход - к концам второй обмотки вольтодобавочного трансформатора (см. пат. РФ №139882, H02J 9/06).
Недостатком указанного устройства является низкая надежность бесперебойной работы электропривода, обусловленная наличием сложного электронного оборудования в виде регулятора напряжения, который осуществляет двунаправленный обмен энергией между вводом электропитания и вольтодобавочным трансформатором, при этом применяется двойное преобразование энергии, вначале переменное напряжение преобразуется в постоянное напряжение, а затем постоянное напряжение - в переменное.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является преобразователь частоты для электропривода ответственных механизмов, содержащий основной и резервный выпрямители, выходы которых через емкостной фильтр соединены с входом инвертора напряжения, а выход последнего подключен к двигателю переменного тока, при этом вход основного выпрямителя через первый датчик тока и первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора подключен к основному вводу электропитания, а вход резервного выпрямителя через второй датчик тока подключен к резервному вводу электропитания, блок управления, первый и второй входы которого подключены соответственно к основному и резервному вводам электропитания, а третий и четвертый входы блока управления подключены соответственно к информационным выходам первого и второго датчиков тока (см. пат. РФ №139058, H02M 5/40).
Недостатком указанного устройства является низкая надежность бесперебойной работы электропривода за счет ограниченного диапазона регулирования входного напряжения основного и резервного выпрямителей только в сторону снижения. Кроме того, известное устройство обладает повышенной ресурсоемкостью в виде двойного комплекта вольтодобавочных трансформаторов и регуляторов напряжения.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышении надежности бесперебойной работы электропривода.
Технический результат, создаваемый полезной моделью, заключается в расширении диапазона регулирования, как в сторону снижения, так и в сторону увеличения входного напряжения основного и резервного выпрямителей, обеспечивая их одинаковую загрузку по току при колебаниях напряжений основного и резервного вводов электропитания.
Поставленная задача достигается тем, что преобразователь частоты для электропривода ответственных механизмов, содержащий основной и резервный выпрямители, выходы которых через емкостной фильтр соединены с входом инвертора напряжения, а выход последнего подключен к двигателю переменного тока, при этом вход основного выпрямителя через первый датчик тока и первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора подключен к основному вводу электропитания, а вход резервного выпрямителя через второй датчик тока подключен к резервному вводу электропитания, блок управления, первый и второй входы которого подключены соответственно к основному и резервному вводам электропитания, а третий и четвертый входы блока управления подключены соответственно к информационным выходам первого и второго датчиков тока, согласно изменению, он снабжен обратимым трехфазным мостовым выпрямителем напряжения, содержащим шесть транзисторно-диодных ключей и фильтрующий конденсатор, подключенный к плюсовому и минусовому зажимам выпрямителя, при этом трехфазные зажимы указанного выпрямителя подключены к вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора, его плюсовой и минусовой зажимы подключены к соответствующим выводам емкостного фильтра, а управляемые входы - подключены к выходу блока управления.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображена функциональная схема преобразователя частоты для электропривода ответственных механизмов;
- на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя частоты при снижении напряжения на основном вводе электропитания;
- на фиг. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя частоты при повышении напряжения на основном вводе электропитания;
- на фиг. 4 приведены временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя частоты при равенстве напряжений на основном и резервном вводах электропитания.
Заявляемое устройство содержит основной 1 (фиг. 1) и резервный 2 выпрямители, выходы которых через емкостной фильтр 3 соединены с входом инвертора напряжения 4, а выход последнего подключен к двигателю переменного тока 5. Вход основного выпрямителя 1 через первый датчик тока 6 и первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 7 подключен к основному вводу электропитания 8, вход резервного выпрямителя 2 через второй датчик тока 9 подключен к резервному вводу электропитания 10. Заявляемое устройство содержит блок управления 11, первый и второй входы которого подключены соответственно к основному 8 и резервному 10 вводам электропитания, а третий и четвертый входы блока управления 11 подключены соответственно к информационным выходам первого 6 и второго 9 датчиков тока. При этом устройство снабжено обратимым трехфазным мостовым выпрямителем напряжения 12, который содержит шесть транзисторно-диодных ключей 13, 14, 15, 16, 17, 18 и фильтрующий конденсатор 19, подключенный к плюсовому и минусовому зажимам выпрямителя 12. При этом трехфазные зажимы указанного выпрямителя 12 подключены к вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 7, его плюсовой и минусовой зажимы подключены к соответствующим выводам емкостного фильтра 3, а управляемые входы выпрямителя 12 подключены к выходу блока управления 11.
Отличительная особенность заявляемого технического решения заключается в выравнивании токов основного 1 и резервного выпрямителей 2, при колебаниях напряжения на вводах электропитания 8 и 10 в широком диапазоне. Применение обратимого трехфазного мостового выпрямителя напряжения 12, обеспечивает двунаправленный обмен энергией между вольтодобавочным трансформатором 7 и емкостным фильтром 3. В результате чего осуществляется выравнивание напряжений на входах основного 1 и резервного 2 выпрямителей за счет алгебраического сложения напряжения основного ввода электропитания 8 и напряжения на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 7, которое формируется обратимым трехфазным мостовым выпрямителем напряжения 12 по команде с блока управления 11. Применение обратимого трехфазного мостового выпрямителя напряжения 12 позволяет осуществить одинаковую загрузку основного 1 и резервного 2 выпрямителей с высокой точностью, что приводит к повышению надежности бесперебойной работы электропривода ответственных механизмов.
Заявляемый преобразователь частоты работает следующим образом.
При наличии напряжения на обоих вводах электропитания 8 и 10 (фиг. 1) с основного ввода электропитания 8 через первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 7 и первый датчик тока 6 на вход основного выпрямителя 1 подается напряжение. Аналогично с резервного ввода электропитания 10 через второй датчик тока 9 подается напряжение на вход резервного выпрямителя 2. С информационных выходов первого 6 и второго 9 датчиков тока на третий и четвертый входы блока управления 11 подаются сигналы пропорциональные значениям токов вводов электропитания 8 и 10. С выхода блока управления 11 на вход обратимого трехфазного мостового выпрямителя напряжения 12 подаются шесть сигналов, которые управляют соответственно работой транзисторно-диодных ключей 13, 14, 15, 16, 17 и 18.
Опишем процесс формирования сигналов управления транзисторами.
a
b
c
доб
На временных диаграммах (фиг. 2, 3 и 4) изображены фазные напряжения U, U, U с учетом добавочного напряжения U за один период T питающего напряжения, которые приложены к входу основного выпрямителя 1 (фиг. 1). Диаграммы с обозначениями Д13, Д14, … Д18 показывают проводящее и непроводящее состояния шести диодов транзисторно-диодных ключей 13-18 (фиг. 1). Аналогично диаграммы на фиг. 2, 3 и 4 с обозначениями Т13, Т14, … Т18 показывают проводящее и непроводящее состояния шести транзисторов указанных ключей. Интервалы времени, на диаграммах закрашенные черным цветом, соответствуют проводящему состоянию диодов и транзисторов указанных ключей 13-18.
1
5
7
11
5
9
11
3
9
1
3
7
Рассмотрим случай, когда на транзисторы Т13-Т18 соответствующих транзисторно-диодных ключей 13-18 (фиг. 1) подаются сигналы управления, которые переводят их в непроводящее состояние. При этом в результате протекания тока по первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 7, на его вторичной обмотке создается переменное напряжение, которое подается на вход обратимого трехфазного мостового выпрямителя напряжения 12. Шесть диодов Д13-Д18 указанного выпрямителя 12 осуществляют преобразование переменного напряжения в постоянное напряжение. Известно, что каждый диод рассматриваемого выпрямителя 12 находится в проводящем состоянии в течение одной трети периода питающего напряжения, а две трети периода - в непроводящем состоянии. Например, диод Д13 (фиг. 1) проводит ток на интервале 1-1 (фиг. 2, 3 и 4), диод Д14 - на интервале t-t. Аналогично можно указать интервалы проводимости t-t, t-t, t-t, и t-t для соответствующих диодов Д15, Д16, Д17 и Д18. Общее количество интервалов проводимости токов диодами за один период T питающего напряжения равно шести.
1
5
1
2
2
5
7
11
7
8
В случае, когда на транзисторы Т13-Т18 соответствующих транзисторно-диодных ключей 13-18 (фиг. 1) подаются сигналы управления, которые переводят их в проводящее состояние, указанные шесть интервалов времени (фиг. 2-4) делятся на две части. Первую часть интервала времени, как и ранее, проводит диод, а вторую часть проводит транзистор. Например, интервал проводимости t-t для диода Д13 делится на интервалы t-t и t-t. На первом интервале проводит диод Д13, а на втором интервале - транзистор Т14. Интервал проводимости t-t для диода Д14 делится на интервал проводимости t-t для диода Д14 и интервал проводимости для транзистора Т13. Аналогично можно указать пару диода и транзистора для других интервалов проводимости фазного тока каждой фазы.
2
4
6
2
2
5
5
5
Момент начала проводящего состояния транзистора задается блоком управления 11, например, для транзистора Т14 этому моменту времени соответствует t (фиг. 2), для Т17 - t, для Т16 - t, и т.д. В момент времени t, когда транзистор Т14 начинает проводить ток, на анод диода Д13 (фиг. 1) через проводящий транзистор Т14 подается отрицательное напряжение с фильтрующего конденсатора 19. При этом диод Д13 автоматически переходит из проводящего состояния в непроводящее состояние. Этот интервал времени t-t для диода Д13 показан в виде не закрашенного прямоугольника, указанного на фиг.2. Аналогичные процессы происходят с другими парами транзисторов и диодов Т17-Д18, Т16-Д15, и т.д. Момент окончания проводящего состояния каждого транзистора фиксирован. Например, для транзистора Т14 это время t, для Т17 - t, и т.д.
доб
При незначительном снижении напряжения на основном вводе электропитания 8 (фиг. 1), например, до 0,95 его номинального значения ток через основной выпрямитель 1 и первый датчик тока 6 снизится, а ток через резервный выпрямитель 2 и второй датчик тока 9 возрастет. Пропорционально разнице сигналов с датчиков тока 6 и 9 на выходе блока управления 11 формируются управляющие сигналы транзисторов Т13, Т14, … Т18 обратимого трехфазного мостового выпрямителя напряжения 12. На первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 7 создается добавочное напряжение U>0, которое скомпенсирует снижение напряжения на основном вводе электропитания 8. При этом с емкостного фильтра 3 на вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 7 через транзисторы обратимого трехфазного мостового выпрямителя напряжения 12 передается примерно 5% энергии от энергии резервного ввода электропитания за один период питающего напряжения. Отметим, что вольтодобавочный трансформатор 7 является повышающим. Максимальное напряжение его первичной и вторичной обмоток составляют соответственно 10% и 100% номинального напряжения основного ввода электропитания 8.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
доб
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
доб
1
0
3
2
11
10
доб
доб
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
доб
Для рассматриваемого случая, когда напряжение на основном вводе электропитания 8 (фиг. 1) снизилось на 5% можно выделить два режима работы обратимого трехфазного мостового выпрямителя напряжения 12. В первом режиме обратимый трехфазный мостовой выпрямитель напряжения 12 работает в режиме инвертора напряжения, преобразуя постоянное напряжение емкостного фильтра 3 в переменное напряжение, подаваемое на вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 7. Этому режиму, ука- занному на фиг.2, соответствуют временные интервалы t-t, t-t, t-t, t-t, t-t, t-t. На указанных интервалах в проводящем состоянии находятся соответствующие пары транзисторов Т15 и Т18, Т15 и Т14, Т14 и Т17, Т17 и Т16, Т16 и Т13, Т13 и Т18. Во втором режиме обратимый трех- фазный мостовой выпрямитель напряжения 12 осуществляет режим коротко- го замыкания вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора 7. При этом напряжения на вторичной и первичной обмотках вольтодобавочного трансформатора 7 будут равны нулю. Этому режиму, указанному на фиг. 2, соответствуют временные интервалы t-t, t-t, t-t, t-t, t-t, t-t. На указанных интервалах в проводящем состоянии находятся в паре соответствующие диоды и транзисторы Д13 и Т15, Д18 и Т14, Д15 и Т17, Д14 и Т16, Д17 и Т13, Д16 и Т18. На фиг. 2 диаграмма с обозначением +U на временных интервалах t-t, t-t, t-t, t-t, t-t, t-tпоказывает, что обратимый трехфазный мостовой выпрямитель напряжения 12 работает в режиме инвертора напряжения. При этом напряжение емкостного фильтра 3 через ранее указанные пары транзисторов и вольтодобавочный трансформатор 7, с учетом коэффициента трансформации добавляется к напряжению основного ввода электропитания 8. Амплитудное значение добавляемого напряжения U остается постоянным, а его длительность Δt=t-t=t-t=…=t-t задается моментом начала проводящего состояния транзисторов, так как момент окончания его проводящего состояния, как ранее отмечалось, фиксирован. Момент времени, когда транзистор переходит в проводящее состояние, формируется блоком управления 11 (фиг. 1) и зависит от значения разницы сигналов с датчиков тока 6 и 9 на выходе блока управления 11. Чем больше разница токов основного и резервного вводов электропитания, тем больше длительность Δt добавляемого напряжения U. На этой же диаграмме (с обозначением +U) временные интервалы t-t, t-t, t-t, t-t, t-t, t-t соответствуют режиму короткого замыкания вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора 7. В этом режиме напряжение основного ввода электропитания 8 подается на вход основного выпрямителя 1 без добавления напряжения U=0.
доб
a
b
c
доб
Таким образом, при незначительном снижении напряжения на основном вводе электропитания 8 обратимый трехфазный мостовой выпрямитель напряжения 12 создает на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 7 добавочное напряжение U>0, которое скомпенсирует это снижение напряжения. На диаграммах U, U, U (фиг. 2) показаны добавочные напряжения U, расположенные над синусоидальными зависимостями фазных напряжений. При этом осуществляет выравнивание напряжений и токов на входах основного 1 и резервного 2 выпрямителей.
доб
На фиг. 3 приведены временные диаграммы, при незначительном увеличении напряжения на основном вводе электропитания 8, например, до 1,05 его номинального значения. Блок управления 11 (фиг. 1) формирует управляющий сигнал для обратимого трехфазного мостового выпрямителя напряжения 12, при этом на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 7 создается добавочное напряжение U<0, которое скомпенсирует увеличение напряжения на основном вводе электропитания 8. При этом 5% энергии основного ввода электропитания через вольтодобавочный трансформатор 7 и диоды обратимого трехфазного мостового выпрямителя напряжения 12 передается емкостному фильтру 3.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
доб
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
доб
Для рассматриваемого случая, когда напряжение на основном вводе электропитания 8 незначительно увеличилось можно выделить два режима работы обратимого трехфазного мостового выпрямителя напряжения 12. В первом режиме обратимый трехфазный мостовой выпрямитель напряжения 12 работает в режиме выпрямителя, преобразуя переменное напряжение вольтодобавочного трансформатора 7 в постоянное напряжение емкостного фильтра 3. Этому режиму на фиг. 3 соответствуют временные интервалы t-t, t-t, t-t, t-t, t-t, t-t. На указанных интервалах в проводящем состоянии находятся соответствующие пары диодов Д13 и Д16, Д13 и Д18, Д15 и Д18, Д15 и Д14, Д14 и Д17, Д16 и Д17. Во втором режиме обратимый трехфазный мостовой выпрямитель напряжения 12 осуществляет режим короткого замыкания вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора 7. При этом напряжения на вторичной и первичной обмотках вольтодобавочного трансформатора 7 будут равны нулю. Этому режиму на фиг. 3 соответствуют временные интервалы t-t, t-t, t-t, t-t, t-t, t-t. На указанных интервалах в проводящем состоянии находятся в паре соответствующие диоды и транзисторы Д16 и Т18, Д13 и Т15, Д18 и Т14, Д15 и Т17, Д14 и Т16, Д17 и Т13. Диаграмма на фиг.3 с обозначением -U на временных интервалах t-t, t-t, t-t, t-t, t-t, t-t показывает, что обратимый трехфазный мостовой выпрямитель напряжения 12 работает в режиме выпрямителя. При этом напряжение емкостного фильтра 3 через ранее указанные пары диодов и вольтодобавочный трансформатор 7, с учетом коэффициента трансформации вычитается из напряжения основного ввода электропитания 8. На этой же диаграмме временные интервалы t-t, t-t, t-t, t-t, t-t, t-t соответствуют режиму короткого замыкания вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора 7. В этом режиме напряжение основного ввода электропитания 8 подается на вход основного выпрямителя 1 без добавления напряжения U=0.
доб
a
b
c
доб
Таким образом, при незначительном увеличении напряжения на основном вводе электропитания 8 обратимый трехфазный мостовой выпрямитель напряжения 12 создает на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 7 добавочное напряжение U<0, которое скомпенсирует это увеличение напряжения. На диаграммах U, U, U (см. фиг. 3) показаны добавочные напряжения U, расположенные под синусоидальными зависимостями фазных напряжений. При этом осуществляет выравнивание напряжений и токов на входах основного 1 и резервного 2 выпрямителей.
доб
На фиг. 4 приведены временные диаграммы, при равенстве напряжений по вводам электропитания 8 и 10. Блок управления 11 (фиг. 1) формирует управляющий сигнал для обратимого трехфазного мостового выпрямителя напряжения 12, который работает в режиме короткого замыкания вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора 7. При этом напряжения на вторичной и первичной обмотках вольтодобавочного трансформатора 7 будут равны нулю. Для указанного режима в проводящем состоянии находятся в паре соответствующие диоды и транзисторы Д16 и Т18, Д13 и Т15, Д18 и Т14, Д15 и Т17, Д14 и Т16, Д17 и Т13, Д16 и Т18. Диаграмма на фиг. 4 с обозначением Uдоб отражает работу обратимого трехфазного мостового выпрямителя напряжения 12 в режиме короткого замыкания. В этом режиме отсутствует вычитание и добавление напряжения U=0 к напряжению основного ввода электропитания 8.
В случае кратковременного снижения напряжения на основном вводе электропитания 8 (фиг. 1) до заданной минимальной величины менее 0,90 его номинального значения блок управления 11 переводит обратимый трехфазный мостовой выпрямитель напряжения 12 в аварийный режим. При этом обратимый трехфазный мостовой выпрямитель напряжения 12 осуществляет режим короткого замыкания вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора 7. Этот режим был подробно описан ранее. При этом напряжения на вторичной и первичной обмотках вольтодобавочного трансформатора 7 будут равны нулю. Напряжение на входе резервного выпрямителя 2 станет больше, чем напряжение на входе основного выпрямителя 1, это вызовет запирание вентилей основного выпрямителя 1. Произойдет мгновенный переход на питание инвертора напряжения 4 только от резервного ввода электропитания 8. Таким образом, в течение всего времени нарушения электроснабжения по основному вводу электропитания 7 инвертор напряжения 4 получает электропитание от резервного ввода 8, обеспечивая устойчивую работу двигателя переменного тока 5.
В случае кратковременного снижения напряжения на резервном вводе электропитания 10 до заданной минимальной величины работа заявляемого устройства осуществляется аналогично вышеописанному аварийному режиму.
После восстановления нормального электроснабжения блок управления 11 восстанавливает рабочий режим управления обратимым трехфазным мостовым выпрямителем напряжения 12. Питание инвертора напряжения 4 осуществляется одновременно от основного 1 и резервного 2 выпрямителей, при этом токи через основной 1 и резервный 2 выпрямители выравниваются.
Таким образом, заявляемый преобразователь частоты позволяет повысить надежность бесперебойной работы электропривода ответственных механизмов при колебаниях напряжения на вводах электропитания за счет расширения диапазона регулирования, как в сторону снижения, так и в сторону увеличения входного напряжения основного и резервного выпрямителей при обеспечении их одинаковой загрузки по току с высокой точностью. Это позволяет осуществить питание инвертора напряжения одновременно от основного и резервного выпрямителей, как в рабочем, так и аварийном режимах. Кроме того, заявляемый преобразователь частоты позволяет снизить ресурсоемкость электропривода за счет уменьшения количества вольтодобавочных трансформаторов и регуляторов напряжения.