УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РАБОТЫ ТРЕХФАЗНОГО ИНВЕРТОРА
UNIT TO CONTROL OPERATION OF THREE-PHASE INVERTER

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для контроля работы трехфазных инверторов, широко применяемых в различного рода энергоустановках, источниках бесперебойного питания и преобразователях частоты.
Обычно в паспортных данных на конкретный инвертор указываются предельные значения полной мощности при заданном значении коэффициента мощности (cos φ), активной мощности (составляющей 70-80% от полной) и минимально допустимая величина коэффициента мощности, которая должна быть, например, не менее 0,5. Для безаварийной эксплуатации инвертора необходим одновременный контроль всех трех перечисленных параметров.
Известны устройства измерения активной и реактивной мощности в трехфазных сетях с недоступной нейтралью, основанные на методе двух ваттмеров (Лаппе Р., Фишер Ф. Измерения в энергетической электронике. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.152, 153). Недостаток устройств заключается в необходимости применения громоздких электромеханических приборов, отсутствии автоматического вычисления суммарных активной и реактивной мощностей, полной мощности, коэффициента мощности и определения характера нагрузки.
Известна аппаратура и способ для измерения коэффициента мощности и момента на выходе привода с изменяемой частотой (патент US 5003252, МПК G01R 31/02, G01R 25/00, 26.03.1991). Аппаратура содержит три преобразователя Холла, перемножающих фазные токи на фазные напряжения, сумматоры, фильтры и аналоговый делитель, вычисляющий коэффициент мощности. Недостатком устройства является его неприменимость к сетям с недоступной нейтралью.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения коэффициента мощности в трехфазной трехпроводной цепи переменного тока (патент RU 2263322, МПК G01R 21/00, 27.10.2005), содержащее два аналоговых перемножителя с фильтрами нижних частот на выходе, четыре сумматора, два ключа, два интегратора, аналоговый делитель и блок управления. Недостаток устройства заключается в достаточно сложном алгоритме вычисления реактивной мощности, требующем определения перехода напряжений через ноль, отсчета времени, равного четверти периода основной частоты, и интегрирования напряжений на указанном интервале времени. Кроме того, устройство не определяет полную мощность и характер нагрузки и вычисляет коэффициент мощности как tg φ, а не как более распространенную величину - cos φ.
Предлагаемое устройство имеет единообразную схему определения активной и реактивной мощности инвертора, повышающую надежность и упрощающую конструкцию, изготовление и настойку устройства в целом. Устройство также автоматически вычисляет полную мощность инвертора и характер подключенной к нему нагрузки, обеспечивая обслуживающий персонал полной информацией о состоянии работающего инвертора.
На чертеже представлена функциональная схема устройства контроля работы трехфазного инвертора.
Устройство содержит источник 1 постоянного напряжения, подключенный к входу инвертора 2, с выходами которого связаны две пары датчиков линейных напряжений 3, 4 и линейных токов 5, 6 и нагрузка 7, и два аналоговых перемножителя 8, 9. Входы перемножителей 8, 9 соединены соответственно с датчиками 3, 5 и датчиками 4, 6, а выходы через фильтры 10, 11 нижних частот связаны с входами одного 12 из двух сумматоров 12, 13. К выходу сумматора 12 подключен индикатор 14 активной мощности и первый вход аналогового делителя 15. С выходом делителя 15 соединен индикатор 16 коэффициента мощности. Устройство снабжено второй парой аналоговых перемножителей 17, 18 с фильтрами 19, 20 нижних частот, двумя фазовращателями на 90° - 21, 22, блоком 23 вычисления модуля векторной суммы, нуль-органом 24 и индикаторами 25, 26 полной мощности и характера нагрузки. Причем первые входы перемножителей 17, 18 соединены соответственно с датчиками 3, 4, вторые входы через фазовращатели на 90° - 21, 22 с датчиками 5, 6, а выходы через фильтры 19, 20 - с входами сумматора 13. Выход сумматора 13 через нуль-орган 24 подключен к индикатору 26 и к одному из входов блока 23, с другим входом которого связан выход сумматора 12, а с выходом - второй вход делителя 15 и индикатор 25.
Блок индикации 26 может быть выполнен на транзисторных ключах 27, 28 различной полярности, в коллекторные цепи которых включены светодиоды 29, 30.
Устройство контроля работы трехфазного инвертора работает следующим образом.
AB
CB
A
C
При включении инвертор 2 преобразует постоянное напряжение источника 1 в трехфазное синусоидальное напряжение, запитывающее нагрузку 7. На выходах датчиков 3, 4 и 5, 6 появляются напряжения, пропорциональные мгновенным значениям линейных напряжений u, u и линейных токов i, i.
AB
m лин.
A
mA
A
Перемножитель 8 вычисляет произведение u=Usin(ωt+30°) на i=Isin(ωt-φ):
CB
m лин.
C
mC
C
Перемножитель 9 вычисляет произведение u=Usin(ωt-30°) на i=I sin(ωt-φ):
m лин.
mA
А
m лин.
mC
C
Фильтры 10, 11 выделяют из указанных напряжений постоянные составляющие - UI/2×cos(φ+30°) и UI/2×cos(φ-30°), которые аналогичны величинам, измеряемым ваттметрами при использовании метода двух ваттметров для определения активной мощности в трехфазной цепи.
Сумматор 12 складывает составляющие активной мощности и подает результирующий сигнал
m лин.
mA
A
m лин.
mC
C
Р=UI/2×cos(φ+30°)+UI/2×cos(φ-30°)
на индикатор 14, отображающий активную мощность на выходе инвертора 2.
AB
A
mA
A
Одновременно с этим перемножитель 17 вычисляет произведение u на напряжение, пропорциональное току i, сдвинутому фазовращателем 21 на 90°, - Isin(ωt+90°-φ):
CB
C
mC
C
Перемножитель 18 вычисляет произведение u на напряжение, пропорциональное току i, сдвинутому фазовращателем 22 на 90°, - Isin(ωt+90°-φ):
Фильтры 19, 20 выделяют из указанных напряжений постоянные составляющие, а сумматор 13 складывает их. В результате на его выходе формируется сигнал
m лин.
mA
A
m лин.
mC
C
Q=UI/2×sin(φ+30°)+UI/2×sin(φ-30°),
пропорциональный реактивной мощности на выходе инвертора 2.
mA
mC
А
C
В зависимости от величины амплитуд токов I, I, фазовых сдвигов φ, φ и их полярности реактивная мощность Q может быть положительной (при активно-индуктивном характере нагрузки 7) и отрицательной (при активно-емкостном характере нагрузки 7). При положительном значении на выходе нуль-органа 24 появляется высокий положительный потенциал, открывающий в блоке 26 транзисторный ключ 27 и зажигающий светодиод 29, сигнализирующий об индуктивном характере нагрузки 7, а при отрицательном значении на выходе нуль-органа появляется высокий отрицательный потенциал, открывающий ключ 28 и зажигающий светодиод 30, сигнализирующий о емкостном характере нагрузки 7.
Напряжения с выходов сумматоров 12, 13 поступают также на блок 23, вычисляющий полную выходную мощность S инвертора 2 в соответствии с формулой
.
Индикатор 25 отображает значение полной выходной мощности инвертора 7.
Выходные напряжения сумматора 12 и блока 23 подаются также на делитель 15, производящий вычисление коэффициента мощности, согласно его общепринятому определению
.
Индикатор 16 отображает значение коэффициента мощности.
При необходимости устройство контроля может быть дополнено исполнительными блоками, срабатывающими при достижении одним из параметров - Р, S, cos φ своего предельного значения и отключающими при этом инвертор.
Входящие в устройство нелинейные блоки, такие как перемножители, делитель и блок вычисления модуля векторной суммы, могут быть реализованы на прецизионных аналоговых перемножителях, например микросхемах 525ПСЗ.
Таким образом, предлагаемое устройство реализует универсальный способ вычисления активной, реактивной и полной выходной мощности инвертора, а также измерения коэффициента мощности и определения характера нагрузки инвертора. Устройство обеспечивает обслуживающий инвертор персонал исчерпывающей информацией, позволяющей своевременно выявить предаварийный и аварийный режимы и тем самым повысить надежность его эксплуатации.