ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к транзисторным высоковольтным устройствам преобразователя частоты и может быть использована для регулирования скорости электродвигателей переменного тока, а также в качестве отдельной ячейки многоуровневого транзисторного высоковольтного преобразователя частоты.
Известен выпрямительно-инверторный преобразователь частоты в электроприводе типа ЭПА1-02 с асинхронным электродвигателем, изготавливаемый ОАО ЧЭАЗ (см. листок-каталог ИНФОРМЭЛЕКТРО №08.41.02 - 91 «Электроприводы транзисторные асинхронные бездатчиковые ссрииЭПА1-02»), содержащий трехфазный мостовой выпрямитель с емкостным фильтром на выходе, транзисторный инвертор, блок RC цепочек параллельно соединенный с входом трехфазного мостового выпрямителя, блок управления, блок питания с понижающим многообмоточным трансформатором, первичная обмотка которого подключена на зажимы питающей трехфазный мостовой выпрямитель сети. По такой схеме выполняются и преобразователи частоты в низковольтных ячейках многоуровневых высоковольтных преобразователей частоты, которые находят широкое распространение в промышленности, например, многоуровневые высоковольтные преобразователи частоты серии ABS-DRIVE-A поставки ОАО ВНИИР и TMdrive-MV поставки фирмы Tohiba Micubisi (Япония).
Обычно преобразователь частоты низковольтной ячейки многоуровневых высоковольтных преобразователей частоты рассчитан на напряжение питания 660 В. На такое же напряжение выполняется и блок питания системы управления, а силовые транзисторы инвертора применяются 17 класса (1700 В). При напряжении двигателя 6 кВ в одной фазе преобразователя частоты устанавливается 5 шт. последовательно соединенных ячеек многоуровневых высоковольтных преобразователей частоты, а при напряжении сети 10 кВ - 9 ячеек (всего соответственно 15 и 27 ячеек). При этом каждая ячейка должна иметь изоляцию от «земли», соответствующую классу напряжения питающей сети (6 или 10 кВ).
Недостатком аналога является то, что при повышении напряжения питающей сети до 1000 В и более, габаритные размеры питающего трансформатора резко возрастают из-за необходимости усиливать изоляцию между обмотками.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является преобразователь частоты для электропривода заслонки CAP давления на нефтеперекачивающих станциях, изготавливаемый ОАО ВНИИР по техническим условиям ТУ3431-054-00216823-97 (см. каталог ИНФОРМЭЛЕКТРО №05.07.15-00 «Преобразователи частоты транзисторные ПЧ-2») принятым за прототип, содержащий трехфазный мостовой выпрямитель - 1; транзисторный инвертор - 2; блок выходного фильтра на конденсаторе - 3; блок входного фильтра - 4; конденсаторы входного фильтра - 5, 6, 7; блок управления - 8; блок питания с понижающим многообмоточным трансформатором - 9, первичная обмотка которого соединена с зажимами питающей сети. В преобразователе частоты на входе трехфазного выпрямительного моста 1 установлен блок входного фильтра 4.
Функциональная схема прототипа представлена на фиг.1. Преобразователь частоты, содержит трехфазный мостовой выпрямитель 1, зажимы переменного тока которого соединены с источником трехфазного переменного напряжения через блок входного фильтра 4 на конденсаторах 5, 6, 7, а выходы соединены через блок выходного фильтра на конденсаторе 3 с входными зажимами постоянного тока транзисторного инвертора 2, соединенного выходными зажимами со статором электродвигателя. Одни зажимы конденсаторов 5, 6, 7 соединены с зажимами переменного тока трехфазного мостового выпрямителя, а вторые объединены и соединены с нулевым проводом питающей сети. Питание цепей блока управления 8 осуществляется от блока питания 9 с понижающим трансформатором.
Недостатком прототипа является большие масса и габариты блока питания цепей управления высоковольтной ячейки, так как при повышении напряжения питающей сети до 1000 В и более, габаритные размеры питающего трансформатора блока питания резко возрастают из-за большого числа витков первичной обмотки и необходимости усиливать изоляцию между обмотками.
Применение силовых транзисторов до напряжения 6500 В, выпуск которых на ток до 600 А освоен промышленностью в настоящее время, позволяет сократить число последовательно соединенных ячеек в фазе двигателя на напряжение 6 кВ до 2-х шт.и уменьшить тем самым массу и габариты высоковольтного преобразователя частоты в целом. Однако, в этом случае напряжение питания ячейки возрастает до 2000 В и применение для питания цепей управления высоковольтного многообмоточного развязывающего трансформатора становится затруднительным из-за возрастания его габаритов вследствие значительного увеличения количества витков его первичной обмотки и необходимости выполнения изоляции на повышенное напряжение.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в снижении массы и габаритов блока питания цепей управления высоковольтной ячейки.
Указанный технический результат достигается тем, что в преобразователь частоты, содержащий трехфазный мостовой выпрямитель, зажимы переменного тока которого соединены с источником трехфазного переменного напряжения через блок входного фильтра, а выходы соединены через блок выходного фильтра с входными зажимами постоянного тока транзисторного инвертора, блок управления и блок питания, введены ограничители напряжения, соединенные со вторыми зажимами конденсаторов входного фильтра и с входными зажимами переменного блока питания, блок входного фильтра содержит резисторы, соединенные последовательно с конденсаторами блока входного фильтра, ограничители напряжения соединены, по крайней мере, через введенные резисторы со вторыми зажимами конденсаторов блока входного фильтра. Количество введенных ограничителей напряжения равно числу фаз питающего напряжения. Ограничители напряжения соединены, по крайней мере, в треугольник или в звезду.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в устройство введены ограничители напряжения соединенные непосредственно или через введенные резисторы со вторыми зажимами конденсаторов входного фильтра и с входными зажимами переменного тока блока питания, количество введенных ограничителей напряжения равно числу фаз питающего напряжения, а ограничители напряжения соединены в треугольник или в звезду.
Введение ограничителей напряжения и оригинальное их соединение с конденсаторами блока входного фильтра и блоком питания, позволяет выполнить элементы блока питания на меньшее напряжение, а количество введенных ограничителей напряжения равное числу фаз питающего напряжения - более равномерно загрузить по току конденсаторы блока входного фильтра, что в общем, сокращает массу и габариты, как блока питания, так и преобразователя частоты.
Для пояснения описываемого объекта на фиг.2 приведена структурная схема преобразователя частоты, где приняты следующие обозначения:
трехфазный мостовой выпрямитель - 1;
транзисторный инвертор - 2;
блок выходного фильтра - 3;
блок входного фильтра - 4;
конденсаторы входного фильтра - 5, 6, 7;
блок управления - 8;
блок питания - 9;
ограничители напряжения - 10, 11, 12;
резисторы - 13, 14, 15;
низковольтные импульсные источники питания - 16, 17, 18.
Преобразователь частоты содержит трехфазный мостовой выпрямитель 1, зажимы переменного тока которого связаны с источником трехфазного переменного напряжения, а выход связан с входными зажимами постоянного тока транзисторного инвертора 2, включенного выходными зажимами в цепь тока фазы электродвигателя, блок выходного фильтра с конденсатором 3 подключенным на выход управляемого трехфазного мостового выпрямителя 1, блок входного фильтра 4 с конденсаторами 5 6, 7, подключенными первыми зажимами на вход переменного тока трехфазного мостового выпрямителя 1, блок управления 8 и блок питания 9, введенные ограничители напряжения 10, 11, 12, соединенные в треугольник, общие зажимы которых соединены с входными зажимами переменного тока блока питания 9 и через резисторы 13, 14, 15 со вторыми зажимами конденсаторов 5, 6, 7 блока входного фильтра 4.
Ограничители напряжения 10, 11, 12 могут быть соединены в звезду.
Блок питания 9 может быть выполнен на базе низковольтных импульсных источников питания 16, 17, 18 или низковольтных трансформаторов с выпрямителями и фильтрами на выходе его вторичных обмоток. При этом, изоляция цепей блоков питания отдельных драйверов тиристоров выпрямителя и транзисторов инвертора должна быть рассчитана на напряжение питания ячейки.
Резисторы 13, 14, 15 применяются для исключения колебательности процесса заряда конденсаторов в момент подачи напряжения питания и при определенных параметрах питающей сети могут не устанавливаться. Блок входного фильтра 4 в сочетании с ограничителями напряжения 11, 12, 13 работает как делитель напряжения, ограничивая входной ток и входное напряжение блока питания 9. При номинальной загрузке блока питания 9 в процессе работы ячейки практически весь ток конденсаторов 5, 6, 7 потребляется блоком питания 9, не загружая ограничители напряжении 10, 11, 12, которые вступают в работу лишь в процессе пусконаладочных работ. Блоки входного и выходного фильтров 4, 3 подключенные непосредственно на вход и выход трехфазного мостового выпрямителя 1 ограничивают также перенапряжения на тиристорах и фронт его нарастания, что дает возможность исключить установку специальных R-C цепочек. Применение в трехфазном мостовом выпрямителе 1 тиристоров вместо диодов позволяет по цепи управления ограничить токи заряда конденсатора блока выходного фильтра 4 при подаче силового напряжения питания и исключить необходимость применения специального зарядного устройства.
Структурная схема многоуровневого преобразователя частоты с силовыми ячейками 20, 21, 22, 23, 24, 25 на напряжение 2 кВ для управления асинхронным двигателем 19 с напряжением питания 6 кВ представлена на фиг.3.
Введение ограничителей напряжения и оригинальное их соединение с конденсаторами блока входного фильтра и блоком питания позволит выполнить элементы блока питания на меньшее напряжение, а количество введенных ограничителей напряжения равное числу фаз питающего напряжения - более равномерно загрузить по току конденсаторы блока входного фильтра, что в целом приведет к сокращению массы и габаритов преобразователя частоты.
Предлагаемое техническое решение предполагается использовать в транзисторных частотно регулируемых пусковых устройствах УБПВД-АЧ для управления высоковольтными асинхронными двигателями мощностью 1000-5000 кВт. При этом предполагается принять напряжение питания ячейки 2000 В при применении транзисторов по напряжению 65 класса (6500 В), а на выходе ограничителей напряжения и входе блока питания иметь 200 В.