ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ
FREQUENCY CONVERTER WITH CONTROLLED VOLTAGE RECTIFIER

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к статическим преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии.
Известен преобразователь частоты (патент US 20080239432, METHOD AND APPARATUS FOR PRE-CHARGING POWER CONVERTERS AND DIAGNOSING PRE-CHARGE FAULTS, класс H02H 7/125, дата приоритета 26.09.2008 г., дата публикации 01.04.2010 г.), содержащее выпрямитель напряжения, 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 являются искажение напряжения питающей сети, вызванные работой преобразователя частоты (выпрямителя напряжения) отсутствие возможности регулирования напряжения звена постоянного тока, а также необходимость установки дополнительного силового контактора, рассчитанного на полный ток нагрузки, протекающий в звене постоянного тока, и наличие дополнительного зарядного резистора.
Известен преобразователь частоты (патент CN 102664539 А, класс Н02М 7/155, дата выдачи 12.09.2012 г.) содержащий управляемый выпрямитель на тиристорах, накопительный конденсатор и инвертор напряжения. Достоинством известной схемы является возможность регулирования напряжения звена постоянного тока вниз относительно напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя. Недостатком известной схемы является искажение напряжения питающей сети при работе преобразователя частоты (выпрямителя), потребление преобразователем реактивной мощности, невозможность рекуперации электроэнергии обратно в сеть, невозможность получения напряжения на выходе выпрямителя выше уровня напряжения неуправляемого выпрямительного моста.
Известен преобразователь частоты (патент DE4319254 A1, Umformer mit Regenerierungssteuerung, класс Н02Н 7/12, Н02М 5/42, Н02М 7/68, Н02Р 7/63, дата приоритета 09.06.1993 г., дата публикации 16.12.1993 г.) содержащий входные дроссели, выпрямитель напряжения, инвертор напряжения, и конденсатор звена постоянного тока. Причем выпрямитель и инвертор напряжения выполнены по схеме трехфазного двухполупериодного моста на диодах, антипараллельно каждому из которых включен транзистор. Достоинством такой схемы является возможность повышения напряжения в звене постоянного тока такого преобразователя частоты выше уровня определяемого неуправляемым выпрямителем напряжения, возможность рекуперации энергии в питающую сеть, а также потребление практически синусоидального тока из питающей сети. К недостаткам известного устройства относится большое количество полупроводниковых элементов схемы, причем половина из них полностью управляемая - транзисторы. Как следствие более сложная аппаратная и алгоритмическая часть системы управления преобразователем частоты. К недостаткам известного устройства так же следует отнести невозможность регулирования напряжения звена постоянного тока вниз относительно напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя, а так же наличие габаритных и тяжелых дросселей установленных на входе.
Известен преобразователь частоты (патент RU 2540110 (С2), класс Н02М 5/42, 23.04.2013, Обратимый преобразователь частоты, авторы Гельвер А.А., Гельвер Ф.А., Хомяк В.А., Калинин И.М., Лазаревский Н.А.) содержащий дроссели, включенные между источником переменного напряжения и входными выводами выпрямителя напряжения, двухуровневый инвертор напряжения и конденсатор подключенные на выход выпрямителя напряжения. Причем выпрямитель напряжения выполнен на шести одинаковых полупроводниковых цепочках собранных по схеме Ларионова. Каждая из полупроводниковых цепочек содержит транзистор и последовательно встречно включенный тиристор, причем параллельно каждому из этих элементов включен антипараллельный диод. Достоинством такой схемы является возможность регулирования напряжения звена постоянного тока как вверх, так и вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. К недостаткам известной схемы относится наличие еще большего количества полупроводниковых элементов схемы, причем большая часть, из которых является управляемыми а, следовательно, более сложная аппаратная и алгоритмическая часть системы управления. К недостаткам известной схемы следует отнести отсутствие тормозной цепи звена постоянного тока и невозможность рассеяния рекуперируемой энергии, в том случае если питающая сеть не сможет принять энергию рекуперации со стороны нагрузки.
Наиболее близким по технической сущности является преобразователь частоты (патент RU 2591054, Преобразователь частоты, класс Н02М 5/458, дата приоритета 16.12.2014 г., дата публикации 10.07.2016 г. автор Гельвер Ф.А.) содержащий систему управления, выпрямитель напряжения, тормозную цепочку, накопительный конденсатор, инвертор напряжения и контактор. Достоинством известного изобретения является простота схемной реализации, наличие тормозной цепи, а также возможность использования тормозного резистора не только для рассеяния энергии рекуперируемой со стороны нагрузки, но и в процессе заряда конденсатора звена постоянного тока посредством силового контактора, осуществляющего коммутацию тормозного резистора либо на режим заряда, либо на режим торможения. Недостатком известной схемы преобразователя частоты является искажение формы напряжения питающей сети, а также отсутствие возможности регулирования напряжения звена постоянного тока.
Предлагаемый преобразователь частоты с управляемым выпрямителем напряжения позволяет осуществлять работу преобразователя частоты с напряжением, в звене постоянного тока изменяющимся в широком диапазоне и как следствие появляется возможность изменять амплитуду напряжения на выходе преобразователя частоты в стационарных режимах его работы. Предлагаемый преобразователь частоты с управляемым выпрямителем напряжения позволяет значительно расширить функциональные возможности и улучшить эксплуатационные характеристики преобразователя частоты при незначительном усложнении конструкции. При этом преобразователь частоты получается универсальным с возможностью работы с широким диапазоном как входных так и выходных напряжений.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в преобразователе частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, содержащем систему управления, контактор, состоящий из контакта и катушки, трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, накопительный конденсатор, инвертор напряжения и тормозную цепочку, причем положительный полюс выпрямителя напряжения соединен с положительными полюсами инвертора напряжения, накопительного конденсатора и тормозной цепочки, состоящей из двух диодов, транзистора и тормозного резистора, причем коллектор транзистора и катод первого диода подключены к положительному полюсу накопительного конденсатора, а эмиттер транзистора и анод первого диода соединены с катодом второго диода и первым выводом тормозного резистора, отрицательный полюс инвертора напряжения соединен с отрицательным полюсом накопительного конденсатора и анодом второго диода тормозной цепочки, отрицательный полюс выпрямителя напряжения соединен со вторым выводом тормозного резистора, а катушка контактора подключена к системе управления, предусмотрены следующие отличия преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения дополнительно содержит дроссели, установленные между фазными выводами питающей сети и выводами переменного тока выпрямителя напряжения, контакт контактора выполнен перекидным, причем общий вывод, которого подключен к отрицательному полюсу выпрямителя напряжения и второму выводу тормозного резистора, вывод нормально - закрытого контакта перекидного контакта контактора подключен к эмиттеру транзистора, вывод нормально - открытого контакта перекидного контакта контактора подключен к отрицательному полюсу накопительного конденсатора.
Кроме того преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения может содержать выпрямитель напряжения выполненный полууправляемым и содержит три диода и три тиристора, включенных по схеме трехфазного двухполупериодного моста, причем диоды соединены анодами между собой и образуют отрицательный полюс выпрямителя напряжения, а тиристоры соединены катодами между собой и образуют положительный полюс выпрямителя напряжения, а управляющие электроды тиристоров подключены к системе управления.
Кроме того преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения может содержать выпрямитель напряжения выполненный полууправляемым и содержит три диода и три тиристора, включенных по схеме трехфазного двухполупериодного моста, причем диоды соединены катодами между собой и образуют положительный полюс выпрямителя напряжения, а тиристоры соединены анодами между собой и образуют отрицательный полюс выпрямителя напряжения, а управляющие электроды тиристоров подключены к системе управления.
Кроме того преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения может содержать выпрямитель напряжения выполненный управляемым и содержит шесть тиристоров, включенных по схеме трехфазного двухполупериодного моста, управляющие электроды которых подключены к системе управления.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 - представлена схема преобразователя частоты, с регулируемой схемой выпрямителя напряжения позволяющей регулировать напряжение в звене постоянного тока на накопительном конденсаторе выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя; на Фиг. 2 - представлена схема преобразователя частоты с регулируемым выпрямителем напряжения собранного на катодной группе тиристоров и позволяющего регулировать напряжение в звене постоянного тока на накопительном конденсаторе от уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного однополупериодного выпрямителя напряжения до уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя; на Фиг. 3 - представлена схема преобразователя частоты с регулируемым выпрямителем напряжения собранного на анодной группе тиристоров и позволяющего регулировать напряжение в звене постоянного тока на накопительном конденсаторе от уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного однополупериодного выпрямителя напряжения до уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя; на Фиг. 4 - представлена схема преобразователя частоты с регулируемым выпрямителем напряжения собранного на тиристорах и позволяющего регулировать напряжение в звене постоянного тока от нуля до уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя; на Фиг. 5 - представлена схема преобразователя частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, в котором перекидной контакт контактора включен в положительную шину звена постоянного тока преобразователя частоты.
Преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, контактор, состоящий из контакта 2 и катушки 3, трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 4, накопительный конденсатор 5, инвертор напряжения 6 и тормозную цепочку 7. Положительный полюс выпрямителя напряжения 4 соединен с положительными полюсами инвертора напряжения 6, накопительного конденсатора 5 и тормозной цепочки 7. Тормозная цепочка 7 состоит из двух диодов 8, 9, транзистора 10 и тормозного резистора 11. Коллектор транзистора 10 и катод первого диода 8 подключены к положительному полюсу накопительного конденсатора 5. Эмиттер транзистора 10 и анод первого диода 8 соединены с катодом второго диода 9 и первым выводом тормозного резистора 11. Отрицательный полюс инвертора напряжения 6 соединен с отрицательным полюсом накопительного конденсатора 5 и анодом второго диода 9 тормозной цепочки 7. Отрицательный полюс выпрямителя напряжения 4 соединен со вторым выводом тормозного резистора 11. Катушка 3 контактора подключена к системе управления 1. Преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения дополнительно содержит дроссели 12-1÷12-3. Дроссели 12-1÷12-3 установлены между фазными выводами питающей сети и выводами переменного тока выпрямителя напряжения 4. Контакт 2 контактора выполнен перекидным, причем общий вывод, которого подключен к отрицательному полюсу выпрямителя напряжения 4 и второму выводу тормозного резистора 11. Вывод нормально - закрытого контакта перекидного контакта 2 контактора подключен к эмиттеру транзистора 10, вывод нормально - открытого контакта перекидного контакта 2 контактора подключен к отрицательному полюсу накопительного конденсатора 5.
Преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, схема которого представлена на Фиг. 2, содержит выпрямитель напряжения 4 выполненный полууправляемым. Выпрямитель напряжения 4 содержит три диода 13-1÷13-3 и три тиристора 14-1÷14-3, включенных по схеме трехфазного двухполупериодного моста. Диоды 13-1÷13-3 соединены анодами между собой и образуют отрицательный полюс выпрямителя напряжения 4. Тиристоры 14-1÷14-3 соединены катодами между собой и образуют положительный полюс выпрямителя напряжения 4. Управляющие электроды тиристоров 14-1÷14-3 подключены к системе управления 1.
Преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, схема которого представлена на Фиг. 3, содержит выпрямитель напряжения 4 выполненный полууправляемым. Выпрямитель напряжения 4 содержит три диода 13-1÷13-3 и три тиристора 14-1÷14-3, включенных по схеме трехфазного двухполупериодного моста. Диоды 13-1÷13-3 соединены катодами между собой и образуют положительный полюс выпрямителя напряжения 4. Тиристоры 14-1÷14-3 соединены анодами между собой и образуют отрицательный полюс выпрямителя напряжения 4. Управляющие электроды тиристоров 14-1÷14-3 подключены к системе управления 1.
Преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, схема которого представлена на Фиг. 4, содержит выпрямитель напряжения 4 выполненный управляемым. Выпрямитель напряжения 4 содержит шесть тиристоров 14-1÷14-6, включенных по схеме трехфазного двухполупериодного моста. Управляющие электроды тиристоров 14-1÷14-6 подключены к системе управления 1.
L
Работа преобразователя частоты с регулируемым выпрямителем напряжения происходит следующим образом. При подключении преобразователя частоты (Фиг. 1) к питающей сети начнется заряд накопительного конденсатора 5 по цепи фазы А, В, С, дроссели 12-1÷12-3, трехфазный двухполупериодный выпрямитель 4, положительный полюс выпрямителя напряжения 4, накопительный конденсатор 5, второй диод 9 тормозной цепи 7, нормально - закрытый контакт перекидного контакта 2, отрицательный полюс выпрямителя напряжения 4. При этом ток заряда накопительного конденсатора 5 ограничен величиной индуктивного сопротивления дросселей 12-1÷12-3. Накопительный конденсатор 5 заряжается до уровня напряжения определяемого амплитудой линейного напряжения питающей сети. После заряда накопительного конденсатора 5 преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения готов к работе. Если уровень напряжения звена постоянного тока на накопительном конденсаторе 5 при этом удовлетворяет алгоритму работы преобразователя частоты, то начинается работа инвертора напряжения 6 и целиком всего преобразователя частоты по заданному алгоритму управления. При необходимости повышения напряжения в звене постоянного тока и на входе инвертора напряжения 6 система управления 1 выполняет управление транзистором 10 по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При этом транзистор 10 работает исключительно в ключевом режиме работы. При включении транзистора 10 происходит нарастание тока протекающего через дроссели 12-1÷12-3 при этом они накапливают энергию , а напряжение на дросселях 12-1÷12-3 определяется согласно  где L - индуктивность дросселя, i - ток протекающий через дроссель. При отключении транзистора 10 энергия, накопленная в дросселях 12-1÷12-3, передается через выпрямитель напряжения 4 и второй диод 9 тормозной цепи 7 на заряд накопительного конденсатора 5 и на питание инвертора напряжения 6 и на нагрузку, подключенную на выход преобразователя частоты. При этом напряжение на накопительном конденсаторе 5 определяется уровнем напряжения питающей сети и падением напряжения на дросселях 12-1÷12-3, , а так же коэффициентом схемы выпрямителя напряжения 4. Второй диод 9 тормозной цепи 7 выполняет роль отсекающего, исключая закорачивание конденсатора 5 при включении транзистора 10. Изменяя величину скважности (отношения времени включенного состояния транзистора к периоду модуляции) работы транзистора 10 при фиксированной частоте ШИМ можно осуществлять регулирование напряжения на дросселях 12-1÷12-3, а соответственно осуществлять регулирование напряжения между плюсовым и минусовым выводами накопительного конденсатора 5 и инвертора напряжения 6. Дроссели 12-1÷12-3 кроме функции накопителя энергии осуществляют сглаживание тока потребляемого преобразователем частоты из питающей сети. При необходимости рассеяния энергии рекуперации от нагрузки инвертора напряжения 6 система управления подаст питание на катушку 3 контактора, который переключит свой перекидной контакт 2, при этом осуществится сборка тормозной цепи 7 для осуществления поглощения рекуперируемой энергии. При этом при включении транзистора 10 будет осуществляться рассеяние рекуперируемой энергии на тормозном резисторе 11. Следует отметить, что транзистор 10 работает в ключевом режиме работы по закону управления ШИМ. Изменяя величину скважности (отношения времени включенного состояния транзистора к периоду модуляции) работы транзистора 10 при фиксированной частоте ШИМ можно осуществлять регулирование рекуперируемой энергии рассеиваемой на тормозном резисторе 11. Схема преобразователя частоты, изображенная на Фиг. 1 позволяет осуществлять регулирование напряжения на накопительном конденсаторе только выше уровня определяемого уровнем напряжения трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения.
Схема преобразователя частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, изображенная на Фиг. 2 позволяет осуществлять регулирование напряжения в звене постоянного тока от уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного однополупериодного выпрямителя напряжения до уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя. Следовательно, появляется возможность регулирования амплитуды напряжения на выходе инвертора напряжения 6 либо амплитуды напряжения на выходе преобразователя частоты. Достоинством такой схемы является возможность ограничения тока заряда накопительного конденсатора 5 с помощью системы управления 1 которая ограничивает угол открытия тиристоров 14-1÷14-3 с использованием фазового управления. В режиме заряда накопительного конденсатора 5, а так же при необходимости снижения напряжения на накопительном конденсаторе 5 ниже уровня определяемого напряжением трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения система управления должна подать напряжение на катушку 3 контактора. При этом перекидной контакт 2 контактора изменит свое состояние и зашунтирует цепь образованную вторым диодом 9 тормозной цепи 7. В этом случае из силовой цепи исключается второй диод 9 тормозной цепи 7 а, следовательно, второй диод 9 исключается из работы, и снижаются потери в преобразователе частоты. Система управления 1 осуществляет управление углом фазового управления тиристоров 14-1÷14-3 будет регулировать напряжение на накопительном конденсаторе 5 от уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения трехфазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя, а также может осуществлять отключение звена постоянного тока преобразователя частоты от питающей сети при закрытии тиристоров 14-1÷14-3. Работа схемы изображенной на Фиг. 2 в режиме повышения напряжения на накопительном конденсаторе выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения аналогична работе схемы изображенной на Фиг. 1 и описанного ранее. В этом режиме работы катушка 3 контактора должна быть обесточена а перекидной контакт 2 должен находится в исходном состоянии.
Отличительной особенностью схемы преобразователя частоты, с управляемым выпрямителем, изображенной на Фиг. 3 от схемы преобразователя частоты изображенной на Фиг. 2 является разное расположение тиристоров 14-1÷14-3 и диодов 13-1÷13-3. В варианте схемы изображенной на Фиг. 2 тиристоры 14-1÷14-3 включены в катодную группу. В варианте схемы изображенной на Фиг. 3 тиристоры 14-1÷14-3 включены в анодную группу при этом функциональные возможности схем абсолютно одинаковые.
На Фиг. 4 представлена схема преобразователя частоты, выпрямитель напряжения 4, которой собран управляемым на тиристорах 14-1÷14-6. При этом появляется возможность осуществлять регулирование напряжения в звене постоянного тока на накопительном конденсаторе 5 от нуля до уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя. Работа схемы изображенной на Фиг. 4 аналогична работе схемы изображенной на Фиг. 2 (Фиг. 3) за тем лишь исключением, что в режиме снижения напряжения на накопительном конденсаторе 5 ниже уровня напряжения определяемого трехфазным двухполупериодным неуправляемым выпрямителем напряжения осуществляется с помощью шести тиристоров 14-1÷14-6. Схема преобразователя частоты, изображенная на Фиг. 4 обеспечивает больший диапазон регулирования, а так же лучшее качество напряжения звена постоянного тока при прочих равных условиях.
Следует отметить, что перекидной контакт 2 контактора может быть установлен в положительную шину звена постоянного тока преобразователя частоты, схема такого преобразователя частоты изображена на Фиг. 5.
Предлагаемый преобразователь частоты с управляемым выпрямителем напряжения позволяет осуществлять работу преобразователя частоты с напряжением на накопительном конденсаторе изменяющимся в широком диапазоне и как следствие появляется возможность изменять амплитуду напряжения преобразователя частоты в стационарных режимах его работы. Предлагаемый преобразователь частоты с управляемым выпрямителем напряжения позволяет значительно расширить функциональные возможности и улучшить эксплуатационные характеристики преобразователя частоты при незначительном усложнении конструкции. При этом преобразователь частоты получается универсальным с возможностью работы с широким диапазоном как входных, так и выходных напряжений.