ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к статическим преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии.
Известно устройство предварительного заряда накопительного конденсатора электрического преобразователя (патент US № 20080239432, МПК Н02Н7/125, от 26.09.2008 г., опубл. 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 использования двух силовых контакторов, чьи контакты должны быть рассчитаны на коммутацию полного тока нагрузки преобразователя частоты. К недостаткам известного устройства также следует отнести сложную систему управления, и  необходимость ее питания от питающей сети до входного контактора.
Известен преобразователь частоты (патент RU 2488937 C2, МПК H02M5/00, от 22.08.2011 г., 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 преобразователя частоты, упрощение конструкции.
Недостаток устройства заключается в необходимости использования силового трехфазного контактора, имеющего три силовых контакта, которые имеют ограниченное число включении - отключении. К недостаткам известного устройства также следует отнести отсутствие защитных элементов в цепи заряда.
Наиболее близким по технической сущности является преобразователь частоты (патент RU 2591055 C1, МПК H02M5/458, от 25.02.2015 г., 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 выпрямителя 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 формируется силовая схема преобразователя частоты, позволяющая осуществлять работу преобразователя в штатном режиме. Достоинством такой схемной реализации является повышение надежности преобразователя частоты, упрощение конструкции.
Недостаток устройства заключается в необходимости использования реле напряжения, а также - питания системы управления преобразователем частоты от питающей сети переменного тока, что в целом усложняет преобразователь. При этом следует отметить, что реле напряжения имеет ограниченное число включений и требует периодического обслуживания и ремонта. Еще одним существенным недостатком известного устройства является то, что в случае срабатывания токовой защиты и перегорания предохранителя однократного действия требуется его замена.
Предлагаемый преобразователь частоты позволяет упростить конструкцию устройства, повысить надежность защиты зарядной цепи за счет выполнения ее многократного действия, улучшить габаритные и эксплуатационные характеристики преобразователя. Дополнительным эффектом от использования предлагаемого устройства является возможность автоматизированного заряда и подготовки преобразователя частоты к работе сразу же после включения однополюсного автоматического выключателя, что позволит значительно сократить время инициализации, включения и подготовки преобразователя частоты к работе. Кроме того, снабжение преобразователя частоты автоматическим выключателем с электромагнитным приводом позволит осуществлять дистанционное включение и выключение зарядной цепи и всего преобразователя частоты в целом.
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 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, 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) в отличие от прототипа, содержит однополюсный автоматический выключатель который своим первым выводом подключен к аноду любого тиристора трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения, а вторым выводом  через зарядный резистор 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 при включенном автоматическом выключателе) 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.
Кроме того, (для возможности дистанционного включения и отключения преобразователя частоты к питающей сети и автоматизации процесса управления им) преобразователь частоты может быть снабжен блоком питания и катушкой электромагнитного привода однополюсного автоматического выключателя, которая подключена к системе управления, при этом входные выводы блока питания подключены к фазам питающей сети, а выход блока питания подключен к системе управления.
Сущность изобретения заключается в возможности автоматизации процесса заряда накопительного конденсатора преобразователя и сокращения времени подготовки преобразователя частоты к работе, а также реализации максимальной токовой защиты устройства за счет многократного действия зарядной цепи преобразователя частоты перед пуском его в работу. Это позволит повысить безопасность устройства, а также сократить время инициализации и включения преобразователя частоты в работу. Описанные преимущества достигаются тем, что преобразователь частоты содержит последовательно включенные токоограничительный зарядный резистор и однополюсный автоматический выключатель, подключенные параллельно одному из тиристоров полууправляемого выпрямителя напряжения и организующие зарядную цепочку для накопительного конденсатора преобразователя частоты. Причем вновь введенная цепочка и дополнительные связи позволяют реализовать функцию защиты многократного действия преобразователя частоты при его включении от короткого замыкания в звене постоянного тока.
Сопоставление предлагаемого изобретения и прототипа показало, что поставленные задачи - автоматизация процесса заряда накопительного конденсатора и сокращение срока подготовки преобразователя частоты к работе, а также реализация максимально токовой защиты многократного действия зарядной цепи преобразователя частоты перед пуском его в работу - 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 блоком питания и катушкой электромагнитного привода однополюсного автоматического выключателя;
на Фиг.4 - представлена схема преобразователя частоты, трехфазный двухполупериодный полууправляемый выпрямитель которого выполнен на основе тиристоров анодной группы и диодов катодной группы соединения.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг.1, содержит систему управления 1, трехфазный двухполупериодный полууправляемый выпрямитель напряжения 2, инвертор напряжения 3, тормозную цепочку 4, накопительный конденсатор 5, зарядный резистор 6 и датчик напряжения 7. Трехфазный двухполупериодный полууправляемый выпрямитель напряжения 2 собран на трех диодах 8, 9, 10 анодной группы соединения и трех тиристорах 11, 12, 13 катодной группы соединения. Вход трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 подключен к фазам питающей сети 14. 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 7. 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 7. Информационные выводы датчика напряжения 7 заведены в систему управления 1. Преобразователь частоты содержит однополюсный автоматический выключатель 15, который своим первым выводом подключен к аноду любого тиристора 11 (12, 13) трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2. Второй вывод однополюсного автоматического выключателя 15 через зарядный резистор 6 подключен к положительному полюсу трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг.2, может быть снабжен дополнительным реле напряжения с катушкой 16 и тремя нормально разомкнутыми контактами 17, 18, 19, дополнительными тремя резисторами 20, 21, 22 и тремя конденсаторами 23, 24, 25. Причем каждому из трех тиристоров 11, 12, 13 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 независимо подключена отдельная цепочка. Отдельная цепочка состоит из конденсатора 23 (24, 25) резистора 20 (21, 22) и нормально разомкнутого контакта реле 17 (18, 19). Первый вывод конденсатора 23 (24, 25) подключен к катоду тиристора 11 (12, 13), второй вывод конденсатора 23 (24, 25) подключен к управляющему электроду тиристора 11 (12, 13), к которому подключен первый вывод резистора 20 (21, 22), второй вывод которого через нормально разомкнутый контакт реле 17 (18, 19) подключен к аноду тиристора 11 (12, 13). Катушка реле напряжения 16 подключена параллельно накопительному конденсатору 5.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг.3, может быть снабжен блоком питания 26 и катушкой электромагнитного привода 27 однополюсного автоматического выключателя 15. Катушка электромагнитного привода 27 подключена к системе управления1. Входные выводы блока питания 26 подключены к фазам питающей сети 14, а выход блока питания 26 подключен к системе управления 1.
Работа преобразователя частоты происходит следующим образом.
При подключении преобразователя частоты (Фиг.1) к питающей сети 14 и при наличии напряжения на фазных выводах А, В, С после включения однополюсного автоматического выключателя 15 начинается заряд накопительного конденсатора 5 по цепи фаза А питающей сети 14, контакт однополюсного автоматического выключателя 15, зарядный резистор 6, накопительный конденсатор 5 и один из диодов 9 или 10 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 11, 12, 13 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 величиной емкости накопительного конденсатора 5. Датчик напряжения 7, подключенный измерительными выводами параллельно накопительному конденсатору 5 звена 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 включение тиристоров 11, 12, 13 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 по сигналу с системы управления 1. Включение тиристоров 11, 12, 13 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 сформирует набор штатной схемы преобразователя частоты и «силовое» подключение преобразователя частоты к питающей сети 14, что  включит в работу инвертор напряжения 3 и целиком всего преобразователя частоты по заданному алгоритму управления.
Однополюсный автоматический выключатель 15 осуществляет защиту преобразователя частоты от аварийных режимов и ситуации в процессе заряда. Например, в случае короткого замыкания, в звене постоянного тока преобразователя частоты ток заряда будет ограничен лишь величиной сопротивления зарядного резистора 6. В этом случае при протекании тока, близкого по величине, к току короткого замыкания в течение продолжительного времени сработает максимально-токовая защита однополюсного автоматического выключателя 15, которая принудительно разорвет контакт однополюсного автоматического выключателя 15 и отключит зарядную цепь от питающей сети 14 и таким образом прервет процесс заряда накопительного конденсатора 5. При этом сработавший максимально-токовый расцепитель однополюсного автоматического выключателя 15 разорвав контакт однополюсного автоматического выключателя 15 не допустит продолжения и обострения аварийной ситуации.
Такое схемное решение позволит производить ручное включение и выключение зарядной цепи преобразователя частоты. При выполнении преобразователя частоты в виде, представленном на Фиг. 1, используется схема защиты многократного действия. При этом после устранения неисправности преобразователь частоты может быть в ручном режиме сразу же включен без замены элементов зарядной цепи. Указанное техническое решение при своей простоте позволяет обеспечить автоматизированный заряд накопительного конденсатора 5 при подаче напряжения на выводы А, В, С питающей сети 14 и включении контакта однополюсного автоматического выключателя 15. Кроме того предлагаемая схема преобразователя частоты позволяет осуществить бестоковую коммутацию преобразователя частоты к питающей сети при подключении или отключении тиристоров 11, 12, 13 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2. Достоинством предложения является и то, что в случае пропадания напряжения на фазах питающей сети 14, а затем его появления преобразователь частоты выполнит автоматизированный заряд накопительного конденсатора 5 и подготовку преобразователя частоты к работе.
Для автоматизации процесса набора штатной схемы преобразователя частоты и его «силового» подключения к питающей сети 14 схема преобразователя частоты, изображенная на Фиг.2 может быть снабжена дополнительными реле напряжения с катушкой 16 и тремя нормально разомкнутыми контактами 17, 18, 19, тремя резисторами 20, 21, 22 и тремя конденсаторами 23, 24, 25. Такая схема позволяет автоматизировать процесс без использования системы управления 1. Такое схемное решение позволит уменьшить число задействованных каналов системы управления 1 и упростить ее, и кроме того, позволит произвести автоматизированное отключение (без участия системы управления 1) тиристоров 11, 12, 13 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 преобразователя частоты в случае возникновения короткого замыкания в звене постоянного тока во время работы преобразователя частоты. Катушка 16 реле напряжения не позволит включить тиристоры 11, 12, 13 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 преобразователя частоты в случае наличия короткого замыкания в звене постоянного тока. При этом конденсаторы 23, 24, 25, предотвращают самопроизвольное открытие тиристоров 11, 12, 13. Резисторы 20, 21, 22 задают и ограничивают ток управляющих электродов тиристоров 11, 12, 13, а нормально разомкнутые контакты 17, 18, 19 реле производят управление открытием либо закрытием тиристоров 11, 12, 13 коммутируя ток управляющих электродов.
С целью автоматизации процесса запуска преобразователя частоты, схема которого изображена на Фиг.3 и обеспечения его защитой многократного действия, однополюсный автоматический выключатель 15 может быть снабжен катушкой электромагнитного привода 27, подключенной к системе управления 1. Такое схемное решение позволит помимо реализации предпусковой защиты многократного действия преобразователя частоты обеспечить автоматизированный запуск преобразователя частоты по команде с системы управления 1. При такой схеме система управления 1 должна быть запитана от блока питания 26, входные выводы которого подключены к фазам питающей сети 14. Указанное подключение позволит произвести предпусковую инициализацию состояния элементов и узлов преобразователя частоты, а также осуществить управление катушкой электромагнитного привода 27 однополюсного автоматического выключателя 15.
Следует добавить, что схема преобразователя частоты, изображенная на Фиг.1 может быть реализована с использованием анодной группы тиристоров 11, 12, 13 и катодной группы диодов 8, 9, 10 трехфазного двухполупериодного полууправляемого выпрямителя напряжения 2 с помощью схемы преобразователя частоты, изображенного на Фиг. 4. Работа такого преобразователя частоты изображенного на Фиг. 4 осуществляется аналогично работе преобразователя частоты изображенного на Фиг. 1 и не требует дополнительных пояснений.
Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты позволяет упростить конструкцию, повысить надежность работы, упрощает изготовление, монтаж и эксплуатацию, снижает вес, габариты и стоимость. Кроме того, предлагаемый преобразователь частоты позволяет автоматизировать процесс заряда накопительного конденсатора, а также реализовать защиту зарядной цепи выполненной многократного действия, повысить надежность, эффективность и улучшить габаритные и эксплуатационные характеристики. Кроме того, если снабдить преобразователь частоты автоматическим выключателем с электромагнитным приводом, то такая схема позволит осуществлять дистанционное включение и выключение зарядной цепи и всего преобразователя частоты в целом. Предложенные схемы преобразователя частоты позволяют производить как ручной, автоматизированный так и автоматический запуск преобразователя частоты. Кроме того, такое схемное решение позволяет произвести автоматизированную предпусковую диагностику преобразователя частоты.
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».