Устройство защиты силовых ячеек преобразователя частоты

Заявляемое техническое решение относится к области силовой электроники, в частности, к автоматическим устройствам защиты силовых ячеек преобразователя частоты (ПЧ) с коммутационными устройствами цепей среднего и высокого напряжений, выполненных на базе вакуумного прерывателя.
Исходя из известного уровня техники, использование вакуумных камер в различных коммутационных устройствах является наиболее распространенным и нашло широкое применение в электротехнике. Известны коммутационные устройства на базе вакуумной камеры, таких ведущих мировых производителей, как: АББ Технолоджи, Митсубиши Электрик Корп, Сименс и другие.
В основу конструкции подобного рода изделий положен принцип размещения, замыкаемых контактов в вакуумной камере, при этом, один из двух контактов выполнен, подвижным и приводится в действие от внешнего привода для замыкания цепи. Так как скорость срабатывания вакуумной камеры при замыкании контактов является оптимальной по времени, то это дает возможность получить высокие коммутационные характеристики.
Из уровня техники известны, различные варианты реализации приводов подвижных контактов, одни из которых базируются на действии электромагнитов, другие – действуют под давлением газов от срабатывания пиротехнических устройств, либо под давлением пара, при испарении жидкости.
Основными недостатками подобного рода устройств, являются не возможность повторного использования, без замены элементов привода, в частности пиротехнических зарядов, а также в случае с электромагнитными приводами, сниженные коммутационные характеристики по отношению к устройствам с пиротехническим приводом, необходимость обеспечения электропитания после срабатывания и относительно высокое потребление электроэнергии. Также известные устройства имеют сепарированную конструкцию, при которой, отдельные элементы разнесены в пространстве, что существенно снижает ремонтопригодность и технологичность конструкции.
Из патента на изобретение RU2683956 от 03.04.2019 известно преобразовательное устройство, содержащее шунтирующий блока (33) который соединен с клеммами 26, 27 таким образом, что он может шунтировать подмодуль 14 или замыкать накоротко обе соединительные клеммы 26, 27. Шунтирующий блок 33 имеет два антипараллельно включенных тиристора 34 и 35, которые могут обеспечивать независимое от направления тока шунтирование подмодуля 40. Для шунтирования подмодуля 14, оба тиристора управляются с помощью непоказанного блока управления таким образом, чтобы включатся одновременно. Ввиду наличия запирающего напряжения силовых полупроводниковых переключателей 17, ток с помощью разрядника 20 защиты от перенапряжения, который может быть выполнен как последовательная цепь разрядников защиты от перенапряжения, коммутируется в цепь 22 свободного хода.
К недостаткам заявляемого технического решения можно отнести наличие дорогостоящих коммутирующих устройств, а также относительно низкую ремонтопригодность, связанную с необходимостью интегрировать устройство в схему преобразователя.
Также из патента на изобретение RU2455723 от 10.07.2012 известно устройство для защиты модулей преобразователя, где каждый модуль имеет  ассоциированное закорачивающее устройство для закорачивания подмодуля. Закорачивающее устройство является трубкой (100) вакуумного прерывателя; при этом устройство (1) содержит отключающее и фиксирующее устройство (300) для фиксации трубки (100) вакуумного прерывателя в разъединенном положении и для устранения фиксатора; и замыкающую пружину для перемещения трубки (100) вакуумного прерывателя в ее контактное положение. Трубка (100) вакуумного прерывателя выполнена так, что она может двигаться без возбуждения из разъединенного положения в контактное положение, в котором подмодуль закорочен, когда фиксатор удален.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести повышенное потребление электромагнитного привода, данное устройство является составной частью ПЧ и не имеет модульной конструкции, что снижает его ремонтопригодность и удобство эксплуатации.
Принимаем указанное техническое решение за ближайший аналог.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание компактного и удобного в эксплуатации, устройства защиты силовых ячеек преобразователя частоты.
Технический результат, достигаемый от реализации заявленного устройства, заключается в повышении эргономических характеристик, устройства защиты силовых ячеек преобразователя частоты, таких как технологичность, ремонтопригодность, компактность.
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что устройство защиты силовых ячеек ПЧ выполнено в виде модуля моноблочной конструкции с местами под установку звена коммутации с механизмом взвода вакуумного прерывателя, а также накопительных элементов блока питания электропривода и блока управления звеном коммутации. Блок управления оснащен интерфейсами связи с упомянутым звеном коммутации, а также электронными компонентами силовых ячеек ПЧ и системы управления ПЧ.
Указанный модуль моноблочной конструкции выполнен с возможностью крепления к корпусу силовых ячеек посредством разъемного соединения.
Также согласно одному из возможных вариантов реализации, модуль моноблочной конструкции содержит выводы контактных клемм, а также переключатель механизма взвода звена коммутации.
Блок управления, выполнен с возможностью управления электроприводом звена коммутации.
Сущность заявленного технического решения поясняется, но не ограничивается приведенными графическими материалами:
фиг.1 – модуль устройства защиты силовых ячеек ПЧ;
фиг.2 – звено коммутации модуля устройства защиты силовых ячеек ПЧ;
фиг.3 – звено коммутации модуля устройства защиты силовых ячеек ПЧ в разрезе;
На фиг.1 изображена силовая ячейка 1 преобразователя частоты с  устройством 2 защиты (байпасированя) силовых ячеек преобразователя частоты (ПЧ). Устройство защиты 2 выполнено в виде модуля 3 моноблочной конструкции закрепленного на корпусе силовой ячейки посредством разъемного соединения. В пределах внутреннего пространства модуля установлено звено 4 (фиг.2) коммутации. Звено коммутации 4 включает вакуумный прерыватель 5, связанный с фиксатором 6 (фиг.3), приводимым в действие от электропривода 7, а также замыкающую пружину 8.
Также описанный модуль содержит механизмом 10 взвода вакуумного прерывателя, блок 11 накопительных элементов формирующих блок питания электропривода 9. Также заявленное устройство содержит блок 12 управления звеном коммутации 4, оснащенный интерфейсами связи с упомянутым звеном коммутации, а также электронными компонентами силовой ячейки 1 ПЧ и системы управления ПЧ.
Заявленный модуль моноблочной конструкции содержит выводы контактных клемм 13, а также переключатель 14 механизма взвода 10 вакуумного прерывателя звена коммутации.
Заявленная конфигурация устройства является унифицированной, чем обеспечивает удобство эксплуатации и повышает ремонтопригодность силовых ячеек ПЧ.
Заявляемое техническое решение может работать как в ручном, так и в автоматическом режимах, что повышает его эргономичность.
Устройство с реализованным, заявляемым техническим решением, работает следующим образом.
Сигнал на включение устройства защиты поступает от главного управляющего устройства системы управления на блок 12 управления звеном коммутации 4, которое в свою очередь управляет блоком накопительных элементов, обеспечивающих подачу необходимого напряжения на обмотку электропривода 7 звена коммутации.
При подаче напряжения с блока накопительных элементов 11, на обмотку электропривода 7, под воздействием магнитного поля, фиксатор выполняет поступательное движение. В нормальном состоянии фиксатор 7 находится в зацеплении со штоком вакуумного прерывателя 5. Подвижный шток под воздействием собственного усилия замыкания вакуумного прерывателя и дополнительного воздействия замыкающей пружины 8 выполняет поступательное движение, перемещая, при этом, подвижный контакт в замкнутое положение.
Функционирование, при отсутствии питания после срабатывания, обеспечивается посредством упомянутого механизма взвода 10 вакуумного прерывателя.
Конструктивное исполнение и отсутствие разрушаемых элементов привода обеспечивает возможность многоразового использования устройства, без замены элементов привода.
Реализация заявленного технического решения обеспечивает решение поставленной технической задачи, повышая эргономические характеристики устройства защиты силовых ячеек преобразователя частоты, такие как технологичность, ремонтопригодность, компактность.