ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С БЫСТРЫМ АВТОМАТИЧЕСКИМ ПЕРЕЗАПУСКОМ

Заявленное техническое решение относится к электротехнике, к области преобразовательной техники, в частности к статическим преобразователям электрической энергии. Его результаты могут быть использованы в транзисторных преобразователях с промежуточным звеном постоянного тока и инвертором на выходе, которые получают питание через полупроводниковый трехфазный выпрямитель от промышленной трехфазной сети переменного тока. Инвертор при этом может быть однофазным или многофазным. Преобразователь в своем составе может содержать или не содержать тормозную цепь, состоящую из разрядного резистора и транзисторного ключа.
Транзисторные преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока и инвертором на выходе, которые получают питание через полупроводниковый трехфазный выпрямитель от промышленной трехфазной сети переменного тока, обычно имеют в своем составе устройство предварительного заряда, исключающее протекание ударного тока заряда из фаз сети через трехфазный выпрямитель в конденсатор звена постоянного тока.
Схема предварительного заряда может содержать контактор и резистор (резисторы) предварительного заряда как на входе полупроводникового выпрямителя, так и на выходе полупроводникового выпрямителя. Пример схемы, содержащей элементы устройства предварительного заряда, установленные на входе диодного выпрямителя, приведен на фиг. 1. На схеме показаны элементы цепи предварительного заряда 1, диодный трехфазный выпрямитель 2, силовой конденсатор промежуточного звена постоянного тока 3, выходной транзисторный инвертор 4.
Преобразователь на основе аналогичной модернизированной схемы предварительного заряда защищен патентом на изобретение №2488937 от 22.08.2011 г. «Преобразователь частоты». В данной схеме контактор установлен на выходе диодного моста. В тексте описания данного аналога имеются ссылки на преобразователи, имеющие в своем составе выполненные по той или иной схеме устройства предварительного заряда, в частности преобразователь, защищенный патентом US 20080239432.
Все упомянутые преобразователи, независимо от их достоинств, имеют один и тот же общий недостаток - даже при кратковременном исчезновении питающего трехфазного сетевого напряжения требуется повторное использование устройства предварительного заряда, так как никакие специальные меры против разряда силового конденсатора звена постоянного тока у них не предусмотрены, а инверторы, продолжающие работать некоторое время после исчезновения сетевого напряжения, разряжают силовые конденсаторы. Поэтому алгоритмы управления, реализованные в этих преобразователях, при исчезновении сетевого напряжения принудительно выключают силовые контакторы или они выключаются автоматически из-за потери напряжения питания. При восстановлении сетевого напряжения теряется время, необходимое на отработку алгоритма предварительного заряда и повторное включение контактора устройства предварительного заряда силовых конденсаторов.
За наиболее близкий аналог принят преобразователь частоты (Грузов В.Л. Сравнительный анализ алгоритмов управления автономными инверторами напряжения в асинхронных электроприводах, с. 34-40. Журнал «Электротехника», декабрь 2001 г.), содержащий входной силовой контактор, выпрямитель, к положительному выводу которого через сглаживающий дроссель подключены положительные полюса автономного инвертора напряжения, тормозного модуля и накопительного конденсатора, а к отрицательному выводу подключены отрицательные полюса автономного инвертора напряжения, тормозного модуля и накопительного конденсатора. Заряд накопительного конденсатора производится с использованием трех токоограничительных зарядных резисторов, каждый из которых подключен параллельно силовым контактам входного контактора, один из выводов резистора подключен к фазе питающей сети, другой вывод подключен к выводу переменного тока выпрямителя. Наиболее близкому аналогу присущ общий вышеуказанный недостаток, связанный с необходимостью повторного использования устройства предварительного заряда.
Важно отметить, что существуют технологические процессы, например, процессы выращивания (вытягивания) монокристаллов сапфира и монокристаллов граната из расплава с использованием индукционного нагрева по методу Чохральского, для которых длительность прерывания в работе питающего преобразователя частоты критична для технологического процесса и должна быть минимизирована.
Задача полезной модели состоит в том, чтобы при исчезновении напряжения в питающей сети как можно быстрее определить момент исчезновения напряжения и заблокировать работу инвертора с той целью, чтобы конденсатор звена постоянного тока потерял минимальное количество энергии и для его заряда после восстановления напряжения в питающей сети не требовалось повторное использование устройства предварительного заряда.
Техническим результатом является повышение качества выпускаемой продукции и снижение количества брака, появление которого связано с кратковременными перебоями сети.
Должен работать принцип: восстановилось напряжение - включился инвертор. Ток заряда конденсатора при этом автоматически ограничивается на безопасном уровне, так как конденсатор при кратковременном отключении сети не успевает отдать в нагрузку значительное количество энергии. Система управления преобразователя при этом питается от маломощной схемы бесперебойного питания.
Задача решается конструкцией транзисторного преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока, с устройством предварительного заряда, с конденсатором промежуточного звена постоянного тока, с однофазным или многофазным инвертором на выходе, содержащего или не содержащего тормозную цепь, подключенного к питающей трехфазной сети переменного тока через трехфазный выпрямитель, отличающегося тем, что он имеет в своем составе дополнительное быстродействующее устройство контроля наличия напряжения трехфазной сети.
В общеизвестную схему преобразователя частоты, имеющего в своем составе устройство предварительного заряда (например, на базе силового контактора) 1, трехфазный диодный выпрямитель (например, мостовой) 2, конденсатор звена постоянного тока 3 и транзисторный инвертор на выходе (однофазный или многофазный) 4, аналогичную изображенной на фиг. 1, вводится дополнительное устройство контроля наличия напряжения в трехфазной сети, схема которого изображена на фиг. 2.
Следует отметить, что дополнительное устройство не является полноценным датчиком напряжения сети, требующим отдельного источника питания, а является более простым и быстродействующим устройством именно контроля наличия напряжения сети, которое формирует ответ «да» или «нет».
Выход устройства подключается к входу прерывания микроконтроллера системы управления транзисторного преобразователя.
При наличии напряжения трехфазной сети транзистор выходного оптрона открыт и на выходе устройства присутствует низкий уровень выходного сигнала, при исчезновении напряжения выходной сигнал практически мгновенно переходит в высокий уровень.
Микропроцессорная система управления контролирует поступление на вход прерывания выходной сигнал устройства контроля наличия напряжения в трехфазной сети и при его переходе в высокий уровень блокирует сигналы управления транзисторами инвертора, не выключая контактора. Время реакции на исчезновение напряжения в трехфазной сети составляет доли миллисекунды и конденсатор звена постоянного тока не успевает разрядиться до уровня, при котором требуется повторное использование устройства предварительного заряда.
После восстановления нормального напряжения трехфазной сети выходной сигнал устройства контроля практически мгновенно переходит в низкий уровень и система управления восстанавливает импульсы управлении транзисторами инвертора. Таким образом минимизируется время, в течение которого отсутствует нагрев и нарушается нормальное протекание технологического процесса.
Кроме того, минимизируется количество включений силового контактора, что повышает надежность его работы и работы преобразователя.
Заявленное техническое решение предназначено для модернизации серийно выпускаемых электротермических установок выращивания монокристаллов, а также для использования в новых разработках ФГУП ЭЗАН.
Технический эффект связан с повышением качества выпускаемой продукции и снижением количества брака, появление которого связано с кратковременными перебоями сети. До модернизации в настоящее время кратковременные перебои сетевого напряжения в установках выращивания монокристаллов зачастую приводят к появлению брака в монокристаллах, выращиваемых в течение длительного времени, в установках, потребляющих значительное количество электроэнергии. Например, монокристаллы сапфира выращиваются в течение до 12 часов при мощности около 60 кВт, а монокристаллы граната в течение 14 суток при мощности около 15 кВт. Учитывая стоимость установки, электроэнергии и сырья, появление брака влечет за собой необоснованные расходы.