ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ВЕНТИЛЯТОРНЫМ ХАРАКТЕРОМ НАГРУЗКИ

Область техники
Полезная модель относится к электроприводу и, в частности, к преобразователям частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и может найти применение в электроприводах вентиляторов и центробежных насосов, а также других механизмов, обладающих вентиляторной характеристикой нагрузки.
Уровень техники
Известен, выбранный в качестве прототипа, преобразователь частоты, содержащий выпрямитель, инвертор с ШИМ, блок управления преобразователем, снабженный задающими входами напряжения и частоты, и установленные на входе инвертора накопительный конденсатор и датчик выпрямленного напряжения [RU 2374751].
В прототипе используется накопительный конденсатор в виде электролитического конденсатора большой емкости (несколько тысяч мкф), функции которого состоят в подавлении низкочастотных пульсаций выпрямленного напряжения (в случае питания трехфазного мостового выпрямителя от сети 50 Гц основная частота пульсаций составляет 300 Гц), попадающих в выходное напряжение преобразователя, и в ограничении всплесков напряжения на полупроводниковых модулях инвертора и выпрямителя, возникающих при колебаниях нагрузки и остановах электропривода, которые сопровождаются возвратом в преобразователь запасенной электромагнитной и механической энергии.
Недостаток прототипа - пониженный срок службы и увеличенные габариты из-за необходимости использования электролитических конденсаторов большой емкости, выполняющих обе вышеуказанные функции.
Раскрытие полезной модели
Технический результат полезной модели - повышение надежности и срока службы, улучшение массогабаритных характеристик преобразователя частоты.
нак
Предметом полезной модели является преобразователь частоты, содержащий выпрямитель, датчик выпрямленного напряжения, инвертор с ШИМ, блок управления, снабженный задающими входами напряжения и частоты и входом контроля, подключенным к выходу датчика выпрямленного напряжения, и накопительный конденсатор, установленный на входе инвертора, отличающийся тем, что блок управления выполнен с возможностью модуляции сигнала, поступившего на задающий вход напряжения, в обратной зависимости от нормированного значения сигнала на входе контроля, а емкость C накопительного конденсатора лежит в пределах
ст
макс
доп
выпр
где L - максимальная индуктивность статора двигателя, питаемого преобразователем частоты, (Гн), I - максимально допустимый выходной ток преобразователя частоты (A), U - допустимое значение напряжения на входе инвертора (B), U - напряжение на выходе выпрямителя при максимально допустимом напряжении питающей сети (B).
Это позволяет получить вышеуказанный технический результат.
Полезная модель имеет два развития, относящиеся к частным случаям ее осуществления и состоящие в том, что блок управления выполнен с возможностью задержки указанной модуляции на период пульсации выпрямленного напряжения, и в том, что накопительный конденсатор зашунтирован варистором.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитей
На фигуре приведена функциональная схема, иллюстрирующая осуществление заявляемого преобразователя.
зад
зад
На схеме показаны: выпрямитель 1, инвертор 2 с ШИМ, и блок 3 управления преобразователем, накопительный конденсатор 4, установленный на входе инвертора 2, и датчик 5 выпрямленного напряжения. Блок 3 снабжен задающими входами 6, 7 и входом 8 контроля. На вход 6 подается сигнал U, задающий величину выходного напряжения преобразователя, на вход 7 - сигнал F, задающий частоту этого напряжения. К входу 8 подсоединен выход датчика 5.
Блок 3 представляет собой программируемый микроконтроллер, снабженный усиленными выходами для управления ключами инвертора 2 и аналого-цифровым преобразователем 9 (АЦП) для преобразования поступающих в блок 3 аналоговых сигналов. На схеме условно показаны элементы, отражающие функции, выполняемые блоком 3: блок 10 формирования ШИМ, управляющий ключами инвертора 2, делитель 11 и модулятор 12, элемент задержки 13.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Из напряжения питающей сети выпрямитель 1 формирует пульсирующее выпрямленное напряжение, которое поступает на вход инвертора 2. Инвертор 2 под управлением блока 10 преобразует методом ШИМ выпрямленное напряжение в переменное напряжение, величина и частота которого задаются сигналами на входах 6 и 7 соответственно.
Модуляция сигнала, поступившего на задающий вход 6, в обратной зависимости от нормированного значения сигнала на входе 8 осуществляется следующим образом.
d
dном
d
dном
d
dном
dном
d
dном
d
зад
зад
dном
d
зад
d
dном
d
d
dном
зад
d
dном
зад
d
dном
зад
Пульсирующее выпрямленное напряжение U(t), поступившее с датчика 5 на вход 8 блока 3, оцифровывается с помощью АЦП 9. Затем в цифровом виде формируется величина U/U, обратная нормированной (относительно номинального значения U) величине U/U выпрямленного напряжения. Этой функции на схеме соответствует делитель 11. На его выходе формируются мгновенные значения величины U/U, которые, отражая пульсации выпрямленного напряжения, колеблются вокруг единицы. С выхода делителя 11 величина U/U поступает на модулятор 12, на другой вход которого подается сигнал U с входа 6. Сигнал, поступающий с выхода модулятора 12 в блок 10, представляет собой произведение U на U/U, т.е. сигнал U, модулированный в обратной зависимости от нормированного значения U/U сигнала U(t) на входе 8. При U=U сигнал U проходит через модулятор 12 на блок 10 без изменения, при U<U на блок 10 поступает сигнал больше, чем U, а при U>U - меньше, чем U.
d
В результате такой модуляции, блок 10 управляет ключами инвертора 2 так, что пульсации выпрямленного напряжения U компенсируются соответствующими изменениями скважности широтно-модулированного напряжения и не отражаются на действующем значении выходного напряжения преобразователя. Это позволяет снять функцию подавления низкочастотных пульсаций выпрямленного напряжения с накопительного конденсатора 4.
Из всех классов механизмов, снабжаемых частотно-регулируемым электроприводом, одним из наиболее значительных по объему является класс механизмов с вентиляторным характером нагрузки, включающий центробежные насосы и вентиляторы. Особенностью данного класса механизмов является отсутствие резких колебаний нагрузки на валу двигателя и, соответственно, колебаний ротора, сопровождающихся возвратом механической энергии в преобразователь. При остановах механизмов этого класса в преобразователь возвращается только электромагнитная энергия, запасенная в статорных обмотках электродвигателя, питаемого преобразователем.
доп
нак
В электроприводах с вентиляторной характеристикой нагрузки для выполнения оставшейся функции - ограничения всплесков напряжения на уровне U достаточна емкость C, определяемая выражением (1), значение которой составляет десятки мкФ. Конденсатор 4 такой емкости может быть пленочным или керамическим и, следовательно, нет необходимости в использовании электролитического конденсатора большой емкости, ухудшающего надежность, срок службы и массогабаритные характеристики преобразователя.
нак
доп
Нижняя граница указанного в выражении (1) диапазона емкости C ограничена превышением U, а верхняя - неоправданным увеличением габаритов накопительного конденсатора 4.
зад
В тех случаях, когда время выполнения программируемым блоком 3 такой компенсации составляет значительную часть периода пульсации выпрямленного напряжения, модуляция сигнала U осуществляется с задержкой на период пульсации выпрямленного напряжения. Эту задержку отражает на схеме элемент 13.
Для защиты от перенапряжений вход инвертора 2 может быть дополнительно зашунтирован варистором 14.