ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY CONVERTER

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к электрическим преобразователям частоты с промежуточным преобразованием электрической энергии.
Известно устройство преобразователя частоты [патент US 2005/0168897 A1, класс H02H 7/00, дата выдачи 04.08.2005] содержащее выпрямитель, накопительный конденсатор звена постоянного тока и инвертор. В представленном устройстве предложены различные схемные варианты заряда накопительного конденсатора с использованием дросселя, резистора и управляемого выпрямителя, которые ограничивают ток заряда. Недостатком предложенных схем преобразователя частоты является наличие дополнительных дросселей, которые должны быть рассчитаны на полный ток преобразователя, либо наличие полууправляемого выпрямителя с тиристорами, рассчитанными на коммутацию силовой цепи преобразователя, и т.д. К недостаткам предложенных схем электрического преобразователя также можно отнести отсутствие тормозной цепи в случае рекуперативного торможения электропривода.
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], содержащего 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, которые подключены параллельно трем силовым контактам входного контактора. Один из выводов каждого резистора подключен к фазе питающей сети, а 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 цепью заряда накопительного конденсатора. Еще одним недостатком такой схемы является и то, что при выключенном контакторе схема преобразователя частоты находится под силовым напряжением.
Наиболее близким по технической сущности является преобразователь частоты [патент US 2008/0310202 A1, класс H02M 5/458, дата выдачи 18.12.2008], содержащее входной трехфазный дроссель, 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 резисторный способ ограничения зарядного тока накопительного конденсатора. При протекании тока во время заряда на резисторе будет выделяться энергия, которая бесполезно рассеивается в виде тепла, причем резистор ограничивает начальное значение пускового тока, после чего ток по экспоненциальному закону снижается до нуля, тем самым затягивая время заряда конденсатора. Также к недостаткам предложенной схемы преобразователя частоты можно отнести отсутствие тормозной цепи, которая является неотъемлемой частью практически любого преобразователя частоты, выпускающегося на данный момент времени.
Предлагаемый преобразователь частоты позволяет повысить энергетическую эффективность устройства в режиме включения, уменьшить время подготовки преобразователя частоты к работе, упростить конструкцию устройства, совместить функции заряда и рассеяния энергии торможения с использованием одного и того же ключевого элемента - транзистора, повысить надежность и улучшить эксплуатационные характеристики.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг.1, содержит систему управления 1, трехфазный двухполупериодный выпрямитель 2, контактор, состоящий из катушки управления 3 и нормально разомкнутого контакта 4 контактора, накопительный конденсатор 5 и автономный инвертор напряжения 6. К "плюсовому" выводу выпрямителя 2 подключен первый вывод контакта 4 контактора, "плюсовые" выводы автономного инвертора напряжения 6 и накопительного конденсатора 5 соединены между собой, а к "минусовому" выводу выпрямителя 2 подключены "минусовые" выводы автономного инвертора напряжения 6 и накопительного конденсатора 5, а катушка 3 контактора соединена с системой управления 1. Преобразователь частоты снабжен зарядно-тормозной цепочкой 7 и дросселем 8. Зарядно-тормозная цепочка 7 состоит из транзистора 9, тормозного резистора 10, двух диодов 11, 12 и дополнительного нормально разомкнутого контакта 13 контактора. Коллектор транзистора 9 соединен с "плюсовым" выводом выпрямителя 2 и первым выводом первого контакта 4 контактора. Эмиттер транзистора 9 соединен с анодом первого и катодом второго диодов 11, 12 и первым выводом тормозного резистора 10, второй вывод которого соединен с первым выводом дополнительного контакта 13 контактора. Второй вывод первого контакта 4 контактора соединен с первым выводом дросселя 8 и катодом первого диода 11. Второй вывод дросселя 8 соединен с "плюсовыми" выводами автономного инвертора напряжения 6 и накопительного конденсатора 5. Анод второго диода 12 и второй вывод дополнительного контакта 13 контактора соединены с "минусовыми" выводами выпрямителя 2, автономного инвертора напряжения 6 и накопительного конденсатора 5.
Работа преобразователя частоты происходит следующим образом. При подаче переменного напряжения на входные выводы преобразователя частоты "A", "B", "C" выпрямитель 2, собранный по схеме "Ларионова" производит выпрямление этого напряжения на своем выходе до уровня, определяемого коэффициентом схемы неуправляемого выпрямителя. При поступлении внешнего сигнала на включение преобразователя частоты, система управления 1, осуществляя управление транзистором 9, работающим в режиме широтно-импульсной модуляции, производит заряд накопительного конденсатора 5. При этом цепь заряда состоит из следующей цепи "плюсовой" вывод выпрямителя 2, открытый транзистор 9, диод 11, дроссель 8, конденсатор 5 и на "минусовой" вывод выпрямителя 2. В те моменты времени, когда транзистор 9 закрывается, ток заряда, протекающий через дроссель 8 и накопительный конденсатор 5, замыкается через диоды 11 и 12, тем самым исключая возможные коммутационные перенапряжения в звене постоянного тока, вызванные индуктивно-емкостным характером нагрузки.
При этом транзистор 9 работает в ключевом режиме со скважностью
9
9
вых
вх
γ=t/T=U/U,
9
вых
вх
где t - время замкнутого состояния ключа 9, T - период повторяемости импульсов, U - уровень напряжения на эмиттере транзистора 9 относительно "минусового" вывода выпрямителя, U - напряжение на выходе выпрямителя 2.
вых
Таким образом, регулируя уровень выходного напряжения U, можно осуществлять регулирование и стабилизацию тока заряда накопительного конденсатора 5. Для реализации автоматизированной системы заряда накопительного конденсатора 5 преобразователя частоты необходима установка датчиков напряжения на конденсаторе 5 и датчика тока, установленного в цепи заряда накопительного конденсатора 5. Следует отметить, что, используя датчик напряжения на конденсаторе 5 и датчик тока в цепи дросселя 8, можно производить диагностику состояния цепи звена постоянного тока и инвертора 6. После окончания процесса заряда, когда напряжение на накопительном конденсаторе 5 становится равным амплитуде напряжения питания выпрямителя 2 и зарядный ток становится равным нулю, транзистор 9 отключается и включается катушка 3 контактора. Контактор замыкает свои контакты 4 и 13 в звене постоянного тока преобразователя частоты тем самым подключая напрямую (минуя транзистор 9 и диод 11) "плюсовой" вывод выпрямителя 2 к "плюсовым" выводам накопительного конденсатора 5 и инвертора напряжения 6, а также подключая второй вывод резистора 10 к "минусовой" шине звена постоянного тока. В результате чего произойдет подключение инвертора 6 преобразователя частоты к питающей сети через силовой контакт 4 контактора и начнется работа инвертора напряжения 6 по заданному алгоритму. При этом элементы зарядной цепи транзистор 9 и диод 11 набираются в схему тормозной цепочки 7, состоящей из транзистора 9, двух диодов 11 и 12 и тормозного резистора 10.
В случае возможной рекуперации энергии торможения со стороны переменного тока инвертора 6 в звено постоянного тока и возрастания напряжения на накопительном конденсаторе 5 должен включаться в работу транзистор 9. В результате открытия транзистора 9 будет происходить рассеивание энергии торможения со стороны нагрузки на тормозном резисторе 10. В таком режиме транзистор 9 не может работать в режиме широтно-импульсной модуляции из-за наличия дросселя 8 в цепи звена постоянного тока. Ограничение тормозного тока должно осуществляться алгоритмически с использованием информации о напряжении в звене постоянного тока и корректировке функции управления ключами инвертора напряжения 6.
Таким образом, вновь введенная зарядно-тормозная цепочка позволяет совместить функции заряда накопительного конденсатора и функцию торможения на одних и тех же введенных элементах, а также позволяет осуществить диагностику состояния звена постоянного тока и инвертора напряжения. Предлагаемое устройство преобразователя частоты повышает энергетическую эффективность и надежность работы, а также позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики и универсальность схемных решений.