ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY CONVERTER

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям с двойным преобразованием электрической энергии.
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 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.
Известно устройство преобразователя частоты (журнал "Электротехника", декабрь 2001, "Сравнительный анализ алгоритмов управления автономными инверторами напряжения в асинхронных электроприводах", автор Грузов В.Л., 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.
Наиболее близким по технической сущности является преобразователь частоты (патент RU 2488937 С2, класс Н02М 5/00, дата приоритета 22.08.2011 г., дата публикации 27.07.2013 г., Гельвер Ф.А., Хомяк В.А., Лазаревский Н.А.), 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 преобразователя частоты, упрощение конструкции.
Недостаток устройства заключается в необходимости использования силового трехфазного контактора, имеющего ограниченное число коммутации. Кроме того, требуется регулярное наблюдение за преобразователем частоты, так как он постоянно находится под питающим напряжением.
Предлагаемый преобразователь частоты позволяет упростить конструкцию устройства, повысить надежность, эффективность и улучшить габаритные и эксплуатационные характеристики, а также автоматизировать процесс заряда накопительного конденсатора преобразователя частоты.
Устройство, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, инвертор напряжения 2, тормозную цепочку 3, накопительный конденсатор 4, зарядный резистор 5, три диода 6, 7, 8 и трехфазный выпрямительный мост 9. К отрицательному полюсу трехфазного выпрямительного моста 9 подключены отрицательные полюса автономного инвертора напряжения 2, тормозной цепочки 3 и накопительного конденсатора 4. Положительный полюс автономного инвертора напряжения 2 соединен с положительным полюсом тормозной цепочки 3 и положительным полюсом накопительного конденсатора 4, зарядный резистор 5 первым выводом соединен с катодами трех диодов 6, 7, 8, аноды которых подключены к фазам питающей сети, к которой также подключены выводы переменного тока трехфазного выпрямительного моста 9. Трехфазный выпрямительный мост 9 выполнен полууправляемым с катодной группой, выполненной на тиристорах 10, 11, 12, причем катоды тиристоров 10, 11, 12 объединены и подключены к положительному полюсу тормозной цепочки 3. Преобразователь частоты снабжен дополнительными датчиком напряжения 13, предохранителем 14 и реле напряжения, состоящим из катушки управления 15 и нормально разомкнутого контакта реле 16, который первым своим выводом подключен к катодам тиристоров 10, 11, 12 выпрямительного моста 9, а вторым выводом через предохранитель 14 подключен ко второму выводу зарядного резистора 5. Катушка управления 15 реле напряжения подключена к системе управления 1. Датчик напряжения 13 своими измерительными выводами подключен к плюсовому и минусовому выводам накопительного конденсатора 4, а информационные выводы датчика напряжения 13 заведены в систему управления 1.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 2, содержит дополнительное реле напряжения, состоящее из катушки управления 17, нормально замкнутого контакта 18 и нормально разомкнутого контакта 19. Катушка управления 17 реле напряжения подключена одним выводом к положительному полюсу тормозной цепочки 3, а другим выводом к отрицательному полюсу тормозной цепочки 3. Нормально разомкнутый контакт 19 реле напряжения заведен в систему управления 1, а нормально замкнутый контакт 18 реле напряжения первым своим выводом подключен к катодам тиристоров 10, 11, 12 трехфазного выпрямительного моста 9, а вторым выводом через предохранитель 14 подключен ко второму выводу зарядного резистора 5.
Система управления 1 преобразователем частоты, изображенная на Фиг. 3, содержит блок питания 20, генератор прямоугольных импульсов 21, конденсатор 22, два резистора 23, 24, транзистор 25, семь диодов 26÷32 и импульсный трансформатор 33. Импульсный трансформатор 33 содержит одну первичную обмотку 34 и три вторичных обмотки 35, 36, 37. Выход генератора прямоугольных импульсов 21 через нормально разомкнутый контакт 19 реле напряжения соединен с первой обкладкой конденсатора 22, вторая обкладка которого соединена с первым выводом первого резистора 23, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора 24 и базой транзистора 25. Второй вывод второго резистора 24 соединен с минусом блока питания 20 и эмиттером транзистора 25, коллектор которого соединен с анодом первого диода 26 и первым выводом первичной обмотки 34 импульсного трансформатора 33, второй вывод которого соединен с катодом первого диода 26 и плюсом блока питания 20. Первая вторичная обмотка 35 импульсного трансформатора 33 своим первым выводом соединена с анодом второго диода 27 и катодом третьего диода 28, катод второго диода 27 соединен с управляющим электродом первого тиристора 10 полууправляемого выпрямительного моста 9. Второй вывод первой вторичной обмотки 35 импульсного трансформатора 33 соединен с анодом третьего диода 28 и общей точкой - катодами тиристоров 10, 11, 12 полууправляемого выпрямительного моста 9. Вторая 36 и третья 37 вторичные обмотки импульсного трансформатора 33 аналогично первой вторичной обмотке 35 импульсного трансформатора 33 через четвертый 29, пятый 30 и шестой 31, седьмой 32 диоды соответственно подключены ко второму 11 и третьему 12 тиристору полууправляемого выпрямительного моста 9.
Работа преобразователя частоты происходит следующим образом. При подключении преобразователя частоты (Фиг. 1) к питающей сети и подаче сигнала на заряд накопительного конденсатора 4 в систему управления 1, система управления 1 включит катушку управления 15 реле напряжения, которое замкнет свой нормально разомкнутый контакт 16. При этом начнется заряд накопительного конденсатора 4 по цепи фазы А, В, С, искусственно созданный трехфазный двухполупериодный выпрямитель на диодах 6, 7, 8 и диодах анодной группы полууправляемого выпрямительного моста 9, положительный вывод выпрямителя, зарядный резистор 5, предохранитель 14, замкнутый нормально разомкнутый контакт 16, накопительный конденсатор 4 и отрицательный вывод выпрямителя. При этом напряжение на конденсаторе 4 будет нарастать по экспоненциальному закону, определяемому номиналом сопротивления зарядного резистора 5 и емкости накопительного конденсатора 4. Датчик напряжения 13, подключенный измерительными выводами в звено постоянного тока, 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 отключение катушки управления 15 реле напряжения и размыкание замкнутого нормально разомкнутого контакта 16, одновременно система управления выдаст команду на включение тиристоров 10, 11, 12 выпрямительного моста 9. Включение тиристоров 10, 11, 12 выпрямительного моста 9 обеспечит "силовое" подключение преобразователя частоты к питающей сети, и начинается работа инвертора напряжения 2 и целиком всего преобразователя частоты по заданному алгоритму управления.
В случае аварийной ситуации - короткого замыкания в звене постоянного тока - зарядная цепь содержит предохранитель 14. В случае продолжительного протекания тока недопустимой величины во время процесса заряда предохранитель 14 перегорит и не допустит выхода из строя диодов 6, 7, 8 и зарядного резистора 5, рассчитанных на кратковременную работу.
Такое схемное решение позволяет обеспечить заряд накопительного конденсатора через слаботочные диоды 6, 7, 8 и осуществить безтоковую коммутацию преобразователя частоты к питающей сети при подключении или отключении выпрямительного моста 9. К достоинству предлагаемой схемы можно отнести то, что элементы инвертора напряжения 2, тормозного модуля 3 и накопительного конденсатора 4 не будут находиться под напряжением, пока система управления 1 не подаст сигнал на заряд накопительного конденсатора 4.
С целью автоматизации процесса заряда накопительного конденсатора 3 преобразователь частоты был снабжен дополнительным реле. Рассмотрим более подробно работу данного схемного решения (Фиг. 2). При подключении преобразователя частоты к питающей сети начнется автоматизированный процесс заряда накопительного конденсатора 4 по цепи фазы А, В, С, искусственно созданный трехфазный двухполупериодный выпрямитель на диодах 6, 7, 8 и диодах анодной группы полууправляемого выпрямительного моста 9, положительный вывод выпрямителя зарядный резистор 5, предохранитель 14 замкнутый, нормально замкнутый контакт 18, накопительный конденсатор 4 и отрицательный вывод выпрямителя. При этом напряжение на конденсаторе 4 и катушке управления 17 будет нарастать по экспоненциальному закону. При достижении уровня напряжения на катушке управления 17, близкого к номинальному уровню напряжения в звене постоянного тока, реле напряжения разомкнет свой нормально замкнутый контакт 18, отключив зарядную цепь, и замкнет свой нормально разомкнутый контакт 19, подав в систему управления 1 сигнал о заряде накопительного конденсатора 4. При этом система управления 1 даст команду на включение тиристоров 10, 11, 12 выпрямительного моста 9. Включение тиристоров 10, 11, 12 выпрямительного моста 9 обеспечит "силовое" подключение преобразователя частоты к питающей сети, и начинается работа инвертора напряжения 2 и целиком всего преобразователя частоты по заданному алгоритму управления.
Схема управления тиристорами 10, 11, 12 системы управления 1 преобразователя частоты может быть реализована схемой, представленной на Фиг. 3. Предложенная схема работает следующим образом. В случае достижения уровня напряжения на катушке управления 17, равного уровню напряжения срабатывания катушки управления 17, реле напряжения замкнет нормально разомкнутый контакт 19. При этом импульсы с генератора прямоугольных импульсов 21 через замкнутый нормально разомкнутый контакт 19 поступают на конденсатор 22, представляющий из себя дифференцирующую цепь, генерирующую импульсы тока управления, поступающие через токоограничительный резистор 23 на базу транзистора 25. При этом транзистор 25, открываясь и закрываясь с частотой импульсов генератора прямоугольных импульсов 21, коммутирует первичную обмотку 34 импульсного трансформатора 33, получающую питание от блока питания 20. При этом на вторичных обмотках 35, 36, 37 будут генерироваться положительные и отрицательные импульсы тока. Для того чтобы на управляющие электроды тиристоров 10, 11, 12 приходили импульсы тока положительной полярности относительно катодов тиристоров 10, 11, 12, установлены диоды 27÷32, организующие работу импульсного трансформатора 33 в режиме трансформатора тока. Следует отметить, что частота импульсов генератора прямоугольных импульсов 21 должна быть значительно больше частоты напряжения питающей сети преобразователя частоты. Резистор 24 предназначен для исключения самопроизвольного открытия транзистора 25. Диод 26 предназначен для исключения коммутационных перенапряжений на транзисторе 25.
Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты позволяет значительно упростить конструкцию, повысить надежность работы, упрощает изготовление, монтаж и эксплуатацию, снижает вес, габариты и стоимость, а также позволяет автоматизировать процесс заряда накопительного конденсатора.