ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY CONVERTER

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к статическим преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии.
Известен преобразователь частоты (журнал "Электротехника", декабрь 2001, "Сравнительный анализ алгоритмов управления автономными инверторами напряжения в асинхронных электроприводах", автор Грузов В.Л. с. 34-40), содержащий входной силовой контактор, выпрямитель, к положительному выводу которого через сглаживающий дроссель подключены положительные полюса автономного инвертора напряжения, тормозного модуля и накопительного конденсатора. Отрицательный вывод выпрямителя подключен к отрицательным полюсам автономного инвертора напряжения, тормозного модуля и накопительного конденсатора. Заряд накопительного конденсатора производится с использованием трех токоограничительных зарядных резисторов, которые подключены параллельно трем силовым контактам входного контактора. Один из выводов каждого резистора подключен к фазе питающей сети, а другой вывод подключен к выводу переменного тока выпрямителя. Недостатком устройства является необходимость использования входного силового контактора и трех дополнительных зарядных резисторов, ограничивающих зарядный (пусковой) ток конденсатора. В результате увеличиваются масса, габариты и стоимость устройства, снижается надежность. Кроме того, требуется регулярное наблюдение за цепью заряда накопительного конденсатора.
Известно устройство преобразователя частоты (патент RU 2591054 С1, класс Н02М 5/458, дата приоритета 16.12.2014 г., дата публикации 10.07.2016 г., заявка 2014151102/07, 16.12.2014, автор Гельвер Ф.А.) содержащий систему управления, выпрямитель напряжения, тормозную цепочку, накопительный конденсатор, инвертор напряжения и контактор. Причем нормально открытый контакт контактора установлен в минусовую шину между выпрямителем и инвертором напряжения в разрыв узла соединяющего резистор и обратный диод тормозной цепочки. Достоинством предложения является отсутствие входного силового контактора. К недостаткам известного устройства относится то, что процесс заряда накопительного конденсатора начинается сразу после подачи напряжения на выводы переменного тока выпрямителя напряжения, а также в том, что преобразователь частоты должен содержать в своем составе тормозную цепочку.
Известно устройство и метод предварительного заряда накопительного конденсатора преобразователя (патент US 2010/0080022 A1, METHOD AND APPARATUS FOR PRE-CHARGING POWER CONVERTERS AND DIAGNOSING PRE-CHARGE FAULTS, автор Robert H. Schmidt, класс H02H 7/125, дата приоритета 26.09.2008 г., дата публикации 01.04.2010 г.), содержащее трехфазный входной силовой контактор, выпрямитель напряжения, накопительный конденсатор и зарядный резистор, установленный после выпрямителя и ограничивающий ток заряда конденсатора, а также контакт контактора, шунтирующий зарядный резистор после окончания процесса заряда. Недостатком данного преобразователя частоты является наличие трехфазного входного силового контактора, зарядной цепочки состоящей из дополнительного мощного зарядного резистора и силового контакта контактора, установленных на стороне постоянного тока преобразователя частоты.
Наиболее близким по технической сущности является преобразователь частоты (патент US 2008/0310202 A1, METHOD FOR AUTOMATIC ADJUSTMENT OF THE MAINS-SYSTEM FREQUENCY PARAMETR OF A FREQUENCY CONVERTER WHICH IS CONNECTED TO A MAINS SYSTEM, автор Hubert Schierling, класс H02M 5/458, дата приоритета 30.06.2004 г., дата публикации 18.12.2008 г.), содержащий выпрямитель напряжения, накопительный конденсатор, инвертор напряжения и зарядный резистор, установленный после выпрямителя и ограничивающий ток заряда конденсатора, а также контакт контактора, шунтирующий зарядный резистор после окончания процесса заряда. Параллельно накопительному конденсатору установлены разрядные резисторы, которые осуществляют разряд накопительного конденсатора после отключения преобразователя частоты от сети. Недостатком данного преобразователя частоты является не управляемый и неконтролируемый процесс заряда накопительного конденсатора, звена постоянного тока, сразу же после подачи напряжения на вход преобразователя частоты. К недостаткам известного устройства также можно отнести отсутствие устройства рассеяния энергии торможения и соответственно невозможность торможения и остановки электропривода с заданной интенсивностью, а возможность остановки электродвигателя только на выбеге. К недостаткам известной конструкции также следует отнести наличие разрядных резисторов на которых бесполезно выделяется мощность в виде тепла после того как на вход преобразователя частоты подали напряжение, тем самым снижается КПД и энергетическая эффективность преобразователя частоты.
Предлагаемый преобразователь частоты позволяет получить новые функциональные возможности в частности осуществлять управляемый заряд накопительного конденсатора и подготовку преобразователя частоты к работе тогда когда это необходимо по команде с системы управления, а так же возможность осуществлять торможение привода с отдачей энергии в зарядный резистор. Зарядный резистор может быть использован и для управляемого разряда накопительного конденсатора преобразователя частоты. Характерной особенностью предложенного преобразователя частоты является простая схемотехническая реализация, минимальное число элементов схемы, высокая надежность, эффективность и высокие эксплуатационные характеристики. Предлагаемый преобразователь частоты отличает модульность, универсальность и унификация используемой элементной базы. Предлагаемый преобразователь частоты позволяет довольно просто осуществить диагностику наличия короткого замыкания и отключить процесс заряда накопительного конденсатора в случае возникновения аварийной ситуации.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в схеме преобразователя частоты, содержащей систему управления, контактор, состоящий из катушки управления и одного контакта, трехфазный выпрямительный мост, зарядный резистор, накопительный конденсатор, три полумоста инвертора напряжения, каждый из которых состоит из двух транзисторов с антипараллельно подключенными диодами, причем коллектор первого транзистора образует положительный полюс полумоста, а эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора и образуют выход переменного тока полумоста, эмиттер второго транзистора образует отрицательный полюс полумоста, выходы переменного тока полумостов инвертора напряжения образуют выходы переменного тока преобразователя частоты, выводы переменного тока выпрямительного моста подключены к питающей сети, катушка управления контактора подключена к системе управления, трехфазный выпрямительный мост своим отрицательным полюсом соединен с отрицательными полюсами трех полумостов инвертора напряжения и отрицательным полюсом накопительного конденсатора, положительный полюс которого соединен с положительными полюсами второго и третьего полумоста инвертора напряжения, предусмотрены следующие отличия: контакт контактора выполнен перекидным, причем общий вывод, которого подключен к положительным полюсам накопительного конденсатора и второго и третьего полумоста инвертора напряжения, вывод нормально - закрытого контакта перекидного контакта контактора подключен к первому выводу зарядного резистора, второй вывод которого подключен к выходу переменного тока первого полумоста, а положительный полюс трехфазного выпрямительного моста соединен с положительным полюсом первого полумоста и с выводом нормально - открытого контакта перекидного контакта контактора.
Кроме того, преобразователь частоты может содержать дополнительный контакт, а катушка управления контактора подключена одним выводом к положительному полюсу накопительного конденсатора, а другим выводом к отрицательному полюсу накопительного конденсатора, а дополнительный контакт контактора подключен к системе управления.
Кроме того, преобразователь частоты может быть выполнен многофазным при этом четвертый и последующие плечи полумоста инвертора напряжения своими положительными полюсами соединены с положительным полюсом накопительного конденсатора, а отрицательные полюса четвертого и последующих плеч полумостов инвертора напряжения соединены с отрицательным полюсом накопительного конденсатора.
Сущность изобретения поясняется чертежами - на Фиг. 1 представлена схема преобразователя частоты, на Фиг. 2 - представлена схема преобразователя частоты содержащего дополнительный контакт контактора и иное подключение катушки контактора, на Фиг. 3 - изображена схема многофазного преобразователя частоты, на Фиг. 4 - изображен вариант схемы преобразователя частоты с включением перекидного контакта контактора в отрицательную шину звена постоянного тока преобразователя частоты.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, контактор, состоящий из катушки управления 2 и одного контакта 3, трехфазный выпрямительный мост 4, зарядный резистор 5, накопительный конденсатор 6, три полумоста 7-1, 7-2, 7-3 инвертора напряжения. Каждый из полумостов 7-1, 7-2, 7-3 инвертора напряжения состоит из двух транзисторов 8, 9 с антипараллельно подключенными диодами 10 и 11, причем коллектор первого транзистора 8 образует положительный полюс полумоста 7-1 (7-2, 7-3), а эмиттер первого транзистора 8 соединен с коллектором второго транзистора 9 и образуют выход переменного тока полумоста 7-1 (7-2, 7-3). Эмиттер второго транзистора 9 образует отрицательный полюс полумоста 7-1 (7-2, 7-3), выходы переменного тока полумостов 7-1, 7-2, 7-3 инвертора напряжения образуют выходы переменного тока преобразователя частоты. Выводы переменного тока выпрямительного моста 4 подключены к питающей сети, катушка управления 2 контактора подключена к системе управления 1. Трехфазный выпрямительный мост 4 своим отрицательным полюсом соединен с отрицательными полюсами трех полумостов 7-1, 7-2, 7-3 инвертора напряжения и отрицательным полюсом накопительного конденсатора 6. Положительный полюс накопительного конденсатора 6 соединен с положительными полюсами второго 7-2 и третьего 7-3 полумоста инвертора напряжения. В преобразователе частоты контакт 3 контактора выполнен перекидным. Причем общий вывод контакта 3 контактора подключен к положительным полюсам накопительного конденсатора 6 и второго 7-2 и третьего 7-3 полумоста инвертора напряжения. Вывод нормально - закрытого контакта 3 перекидного контакта контактора подключен к первому выводу зарядного резистора 5. Второй вывод зарядного резистора 5 подключен к выходу переменного тока первого полумоста 7-1, а положительный полюс трехфазного выпрямительного моста 4 соединен с положительным полюсом первого полумоста 7-1 и с выводом нормально - открытого контакта 3 перекидного контакта контактора.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 2, может содержать дополнительный контакт 12, а катушка управления 2 контактора подключена одним выводом к положительному полюсу накопительного конденсатора 6, а другим выводом к отрицательному полюсу накопительного конденсатора 6, а дополнительный контакт 12 контактора подключен к системе управления 1.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 3, может быть выполнен многофазным при этом четвертый 7-4 и последующие 7-5÷7-n плечи полумоста инвертора напряжения своими положительными полюсами соединены с положительным полюсом накопительного конденсатора 6, а отрицательные полюса четвертого 7-4 и последующих 7-5÷7-n плеч полумостов инвертора напряжения соединены с отрицательным полюсом накопительного конденсатора 6.
Работа преобразователя частоты происходит следующим образом. При подключении преобразователя частоты (Фиг. 1) к питающей сети на выходе выпрямительного моста 4 формируется выпрямленное напряжение, причем положительный потенциал с положительного полюса выпрямительного моста 4 приложен к положительному полюсу полумоста 7-1 инвертора напряжения и выводу нормально - открытого контакта 3 перекидного контакта контактора. Отрицательный потенциал с отрицательного полюса выпрямительного моста 4 приложен к отрицательным полюсам полумостов 7-1, 7-2, 7-3 инвертора напряжения и к отрицательному полюсу накопительного конденсатора 6.
При необходимости заряда накопительного конденсатора и включения преобразователя частоты в работу система управления 1 подает команду на включение транзистора 8 полумоста 7-1 инвертора напряжения. При этом начнется заряд накопительного конденсатора 6 по цепи фазы А, В, С питающей сети, выпрямительный мост 4, положительный полюс выпрямительного моста 4, включенный транзистор 8 полумоста 7-1 инвертора напряжения, зарядный резистор 5, накопительный конденсатор 6 и отрицательный полюс выпрямительного моста 4. Напряжение на конденсаторе 6 будет нарастать по экспоненциальному закону, определяемому номиналом сопротивления зарядного резистора 5 и величиной емкости накопительного конденсатора 6. Следует отметить, что транзистор 8 полумоста 7-1 инвертора напряжения может быть включен постоянно или работать в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Ток заряда накопительного конденсатора 6 ограничен сопротивлением зарядного резистора 5 либо длительностью открытого состояния транзистора 8 полумоста 7-1 инвертора напряжения в случае его работы в режиме ШИМ. По окончании процесса заряда накопительного конденсатора 6, когда напряжение в звене постоянного тока преобразователя частоты близко к номинальному происходит отключение транзистора 8 полумоста 7-1 инвертора напряжения и включение катушки 2 контактора и переключение контакта 3 перекидного контакта контактора. Переключение контакта 3 контактора обеспечит сборку штатной схемы преобразователя частоты, и начинается работа полумостов 7-1, 7-2, 7-3 инвертора напряжения и целиком всего преобразователя частоты по заданному алгоритму управления.
Следует отметить, что в процессе работы преобразователя частоты после произведенного заряда, зарядный резистор 5 больше не работает, а будет работать только при необходимости снижения (гашения) напряжения в звене постоянного тока при рекуперации энергии со стороны нагрузки преобразователя частоты. При необходимости снижения (гашения) напряжения в звене постоянного тока при рекуперации энергии со стороны нагрузки преобразователя частоты происходит отключение катушки 2 контактора и переключение контакта 3 перекидного контакта контактора в исходное состояние. При этом транзистор 8 полумоста 7-1 инвертора напряжения выключается из работы, а транзистор 9 полумоста 7-1 инвертора напряжения работает в режиме ШИМ и осуществляет гашение энергии накопленной в накопительном конденсаторе 6, полумосты 7-2, 7-3 инвертора напряжения работают в штатном режиме обеспечивая торможение с заданной интенсивностью и рекуперацию энергии со стороны нагрузки преобразователя частоты в звено постоянного тока. Такое схемное решение позволяет реализовать несимметричное торможение нагрузки (электропривода) с заданной интенсивностью.
Предложенная схема преобразователя частоты позволяет реализовать разряд энергии накопленной в накопительном конденсаторе 6 при отключении преобразователя частоты от сети. При отключении преобразователя частоты от питающей сети система управления 1 отключит катушку 2 контактора и переключение контакта 3 перекидного контакта контактора в исходное состояние, и включит транзистор 9 полумоста 7-1 инвертора напряжения в режиме ШИМ и будет осуществляться гашение энергии накопленной в накопительном конденсаторе 6. Транзисторы 8 и 9 полумостов 7-2, 7-3 инвертора напряжения при этом выключены. Такое схемное решение и алгоритм работы зарядного резистора 5 позволит осуществить разряд накопительного конденсатора 6 и осуществить защиту обслуживающего персонала от поражения электрическим током в случае обслуживания отключенного от сети преобразователя частоты либо в случае возникновения аварийной ситуации.
Таким образом, такое схемное решение в преобразователе частоты позволяет обеспечить управляемый заряд накопительного конденсатора 6 через зарядный резистор 5. При этом зарядный резистор 5 может участвовать и в процессе сброса и рассеяния энергии торможения нагрузки преобразователя частоты и при разряде накопительного конденсатора 6 при отключении преобразователя частоты от питающей сети.
Следует отметить что питание системы управления 1 может быть осуществлено как от той же питающей сети А, В, С, либо независимо от любой другой питающей сети либо от автономного источника электроэнергии.
С целью автоматизации процесса заряда накопительного конденсатора 6 катушка 2 контактора может быть подключена параллельно накопительному конденсатору 6 (Фиг. 2). Такое схемное решение позволяет автоматизировать процесс заряда накопительного конденсатора 6 и осуществить набор штатной схемы преобразователя частоты посредствам контакта 3 перекидного контакта контактора без использования системы управления 1 сразу же после заряда накопительного конденсатора 6. Такое включение катушки 2 контактора позволяет исключить случайное включение контакта 3 перекидного контакта контактора, при напряжении звена постоянного тока ниже допустимого значения близкого к номинальному напряжению звена постоянного тока тем самым исключается ударный заряд накопительного конденсатора (ударный ток заряда накопительного конденсатора). При этом система управления 1 получает информацию о состоянии контактора по средствам дополнительного контакта 12 контактора подключенного к системе управления 1. Включение катушки 2 контактора в звено постоянного тока позволяет осуществить диагностику наличия короткого замыкания в звене постоянного тока. При коротком замыкании в звене постоянного тока и после подачи сигнала на заряд накопительного конденсатора 6 через зарядный резистор 5 течет ток, но заряда накопительного конденсатора 6 не происходит по истечении допустимого времени заряда накопительного конденсатора 6 если в системе управления не замкнется дополнительный контакт 12 контактора система управления 1 отключит транзистор 8 полумоста 7-1 инвертора напряжения и прекратит процесс заряда накопительного конденсатора 6 и выдаст информацию о неисправности преобразователя частоты.
Работа преобразователя частоты происходит следующим образом. При подключении преобразователя частоты (Фиг. 2) к питающей сети на выходе выпрямительного моста 4 формируется выпрямленное напряжение. При необходимости заряда накопительного конденсатора и включения преобразователя частоты в работу система управления 1 подает команду на включение транзистора 8 полумоста 7-1 инвертора напряжения. При этом начнется заряд накопительного конденсатора 6 по цепи фазы А, В, С питающей сети, выпрямительный мост 4, положительный полюс выпрямительного моста 4, включенный транзистор 8 полумоста 7-1 инвертора напряжения, зарядный резистор 5, накопительный конденсатор 6 и отрицательный полюс выпрямительного моста 4. Напряжение на конденсаторе 6 будет нарастать по экспоненциальному закону, определяемому номиналом сопротивления зарядного резистора 5 и величиной емкости накопительного конденсатора 6. Ток заряда накопительного конденсатора 6 ограничен сопротивлением зарядного резистора 5 либо длительностью открытого состояния транзистора 8 полумоста 7-1 инвертора напряжения в случае его работы в режиме ШИМ. При достижении уровня напряжения на накопительном конденсаторе 6 и катушке 2 контактора близкого к номинальному уровню напряжения в звене постоянного тока и равного напряжению втягивания катушки 2 контактора, контактор сработает и переключит свои перекидной контакт 3 в плюсовой шине звена постоянного тока и замкнет дополнительный контакт 12 в цепи системы управления 1 соответственно. Замыкание дополнительного контакта 12 контактора выдаст в систему управления 1 информацию о том, что процесс заряда успешно завершен. Переключение контакта 3 перекидного контакта контактора обеспечит сборку штатной схемы преобразователя частоты, и начинается работа преобразователя частоты по заданному алгоритму управления системы управления 1.
На Фиг. 3 изображена схема многофазного преобразователя частоты. В такой схеме (Фиг. 3) четвертое 7-4 и последующие 7-5÷7-n плечи полумоста инвертора напряжения своими положительными полюсами соединены с положительным полюсом накопительного конденсатора 6, а отрицательные полюса четвертого 7-4 и последующих 7-5÷7-n плеч полумостов инвертора напряжения соединены с отрицательным полюсом накопительного конденсатора 6. Данное схемное решение позволит реализовать многофазный преобразователь частоты с целью увеличения единичной мощности преобразователя частоты, либо для реализации многофазного электропривода с улучшенными вибро-шумовыми характеристиками.
Вариант схемной реализации предложенного преобразователя частоты изображенный на Фиг. 4 позволяет реализовать те же функциональные возможности что и в схеме преобразователя частоты изображенного на Фиг. 1. Отличие заключается в ином подключении элементов зарядной цепи с включением контакта 3 перекидного контакта контактора в отрицательную шину звена постоянного тока преобразователя частоты.
Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты позволяет улучшить функциональные возможности, повысить надежность, эффективность и улучшить эксплуатационные характеристики, а также что особенно важно добавить в схему преобразователя частоты возможность управляемого заряда накопительного конденсатора и его управляемого разряда по команде системы управления. Предлагаемый преобразователь частоты отличает модульность, универсальность и унификация используемой элементной базы. Предлагаемый преобразователь частоты позволяет довольно просто осуществить диагностику наличия короткого замыкания и отключить процесс заряда накопительного конденсатора в случае возникновения аварийной ситуации.