ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY CONVERTER

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к статическим электрическим преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии.
Известно устройство и метод предварительного заряда накопительного конденсатора электрического преобразователя (патент US 20080239432, класс Н02Н 7/125, дата приоритета 26.09.2008 г., дата публикации 01.04.2010 г.), содержащее выпрямитель напряжения, инвертор напряжения, накопительный конденсатор и зарядный резистор, установленный после выпрямителя напряжения и ограничивающий ток заряда накопительного конденсатора, а также контактор, шунтирующий своим контактом зарядный резистор после окончания заряда. Недостатком известного устройства является необходимость установки дополнительного силового контактора, контакт которого должен быть рассчитан на полный ток нагрузки, который протекает в звене постоянного тока, и наличие мощного зарядного резистора.
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, 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, 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. Недостаток устройства заключается в необходимости использования трех зарядных резисторов, ограничивающих пусковой ток конденсатора. В результате увеличиваются масса, габариты и стоимость устройства, снижается надежность. Кроме того, требуется регулярное наблюдение за цепью заряда накопительного конденсатора. Еще одним весомым недостатком такой схемы является то, что при выключенном контакторе схема преобразователя частоты находиться под силовым напряжением, а также то, что в схеме преобразователя частоты отсутствуют защитные аппараты, предотвращающие возникновение аварийных режимов в случае коротких замыкании.
Наиболее близким по технической сущности является преобразователь частоты (патент RU 2653856 С2, класс Н02М 5/42, дата приоритета 20.09.2016 г., дата публикации 21.03.2018 г. Преобразователь частоты, авторы Гельвер А.А., Гельвер Ф.А.), содержащий входной силовой контактор, выпрямитель напряжения, к положительному выводу которого 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 одного зарядного резистора и реле напряжения, организующими цепи заряда параллельно двум контактам входного силового контактора. Достоинством известного изобретения является простота схемной реализации цепи заряда, а также реализация защиты цепи заряда от возможных коротких замыкании с использованием предохранителей. Недостатком известного изобретения является необходимость независимого питания системы управления либо ее питание от выводов питающей сети, а также необходимость защиты линии питания системы управления. Кроме того, в известной схеме предусмотрено включение преобразователя частоты только от системы управления, и не предусмотрено ручного включения зарядной цепи без питания системы управления. В случае короткого замыкания цепей преобразователя частоты после входного контактора на корпус в сетях с изолированной нейтралью преобразователь частоты не сможет самостоятельно отключить себя от питающей сети и защитить обслуживающий персонал от поражения электрическим током.
Предлагаемый преобразователь частоты позволяет упростить конструкцию устройства, равномерно распределить энергию зарядной цепи между зарядными резисторами, повысить эффективность работы, надежность, безопасность устройства при эксплуатации, а также улучшить габаритные и эксплуатационные характеристики. Кроме того, предложенный преобразователь частоты позволяет производить как ручной запуск преобразователя частоты так и запуск от системы верхнего уровня. К достоинству предложения также следует отнести ограничение величины тока в случае возникновения короткого замыкания на землю, а также использование в схеме защитного аппарата многократного действия. Кроме того, предложенная схема преобразователя частоты позволяет осуществлять автоматизированный контроль сопротивления изоляции преобразователя частоты перед его работой. Предложенная схема преобразователя частоты позволяет осуществить питание системы управления от звена постоянного тока, что позволяет осуществить защиту от включения преобразователя частоты в случае короткого замыкания в звене постоянного тока. Таким образом, такое схемное решение позволяет произвести автоматизированную предпусковую диагностику преобразователя частоты. Кроме того, такая организация цепи заряда накопительного конденсатора позволяет надежно обесточить преобразователь частоты при его обслуживании и ремонте, а так же исключить ложное включение входного силового контактора в случае сбоя системы управления.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в схеме преобразователя частоты, содержащей систему управления, зарядный резистор, входной силовой контактор, состоящий из нормально открытых контактов и катушки, катушка контактора подключена к системе управления, контакты входного силового контактора своим входом соединены с питающей сетью, а своим выходом соединены с входом трехфазного выпрямительного моста, к выходу которого подключены автономный инвертор напряжения, накопительный конденсатор и тормозной модуль, состоящий из транзистора двух диодов и тормозного резистора, причем коллектор транзистора соединен с катодом первого диода и положительной шиной выпрямительного моста, а эмиттер транзистора соединен с анодом первого диода, катодом второго диода и первым выводом тормозного резистора, второй вывод которого соединен с анодом второго диода и отрицательной шиной выпрямительного моста, зарядный резистор первым своим выводом подключен к выходу первого контакта контактов входного силового контактора, предусмотрены следующие отличия: преобразователь частоты снабжен двухполюсным автоматическим выключателем и дополнительным: зарядным резистором, причем: второй вывод зарядного резистора через первый контакт автоматического выключателя соединен с входом первого контакта контактов входного силового контактора, дополнительный зарядный резистор своим первым выводом подключен к выходу второго контакта контактов входного силового контактора, а второй вывод дополнительного зарядного резистора подключен через второй контакт автоматического выключателя к входу второго контакта контактов входного силового контактора, а система управления подключена к выходу выпрямительного моста.
Кроме того, преобразователь частоты может содержать автоматический выключатель с электромагнитной катушкой включения и электромагнитной катушкой выключения, причем электромагнитные катушки включения и выключения подключены к клеммам системы верхнего уровня, кроме того электромагнитная катушка выключения подключена к системе управления верхнего уровня.
Кроме того, преобразователь частоты может содержать двухполюсное устройство защитного отключения, которое включено в цепь между контактами автоматического выключателя и зарядными резисторами, устройство защитного отключения имеет механический расцепитель и нормально открытый контакт, причем механический расцепитель механически связан с автоматическим выключателем и нормально открытым контактом устройства защитного отключения, а нормально открытый контакт устройства защитного отключения заведен в систему управления.
Кроме того, преобразователь частоты может содержать автоматический выключатель, который дополнительно содержит нормально открытый блок контакт, установленный в цепь питания катушки контактора.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, зарядный резистор 2, входной силовой контактор, состоящий из нормально открытых контактов 3 и катушки 4. Катушка 4 контактора подключена к системе управления 1. Контакты 3 входного силового контактора своим входом соединены с питающей сетью 5, а своим выходом соединены с входом трехфазного выпрямительного моста 6. К выходу трехфазного выпрямительного моста 6 подключены автономный инвертор напряжения 7, накопительный конденсатор 8 и тормозной модуль 9, состоящий из транзистора 10 двух диодов 11, 12 и тормозного резистора 13. Коллектор транзистора 10 соединен с катодом первого диода 11 и положительной шиной выпрямительного моста 6, а эмиттер транзистора 10 соединен с анодом первого диода 11, катодом второго диода 12 и первым выводом тормозного резистора 13. Второй вывод тормозного резистора 13 соединен с анодом второго диода 12 и отрицательной шиной выпрямительного моста 6. Зарядный резистор 2 первым своим выводом подключен к выходу первого контакта 14 контактов 3 входного силового контактора. Преобразователь частоты снабжен двухполюсным автоматическим выключателем 15 и дополнительным: зарядным резистором 16. Второй вывод зарядного резистора 2 через первый контакт 17 автоматического выключателя 15 соединен с входом первого контакта 14 контактов 3 входного силового контактора. Дополнительный зарядный резистор 16 своим первым выводом подключен к выходу второго контакта 18 контактов 3 входного силового контактора. Второй: вывод дополнительного зарядного резистора 16 подключен: через второй контакт 19 автоматического выключателя 15 к входу второго контакта 18 контактов 3 входного силового контактора. Система управления 1 подключена к выходу выпрямительного моста 6.
Преобразователь частоты (Фиг. 2) может быть выполнен так что автоматический выключатель 15 содержит электромагнитную катушку включения 20 и электромагнитную катушку выключения 21. Электромагнитные катушки включения 20 и выключения 21 подключены к клеммам 22 системы верхнего уровня. Электромагнитная катушка выключения 21 подключена к системе управления 1 преобразователем частоты.
Преобразователь частоты (Фиг. 3) может содержать двухполюсное устройство защитного отключения 23, которое включено в цепь между контактами 17, 19 автоматического выключателя 15 и зарядными резисторами 2, 16. Устройство защитного отключения 23 имеет механический расцепитель 24 и нормально открытый контакт 25, причем механический расцепитель 24 механически связан с автоматическим выключателем 15 и нормально открытым контактом 25 устройства защитного отключения 23. Нормально открытый контакт 25 устройства защитного отключения заведен в систему управления верхнего уровня.
Преобразователь частоты (Фиг. 4) может быть выполнен, так что автоматический выключатель 15 дополнительно содержит нормально открытый блок контакт 26 установленный в цепь питания катушки 3 контактора.
AB
AB
AB
AB
Работа преобразователя частоты происходит следующим образом. При необходимости включения преобразователя частоты необходимо произвести ручное (Фиг. 1) включение автоматического выключателя 15. При этом контакты 17 и 19 автоматического выключателя 15, образуют зарядную цепь накопительного конденсатора 8 - фаза А питающей сети 5, контакт 17 автоматического выключателя 15, зарядный резистор 2, диод катодной (анодной, в зависимости от полярности напряжения U) группы трехфазного выпрямителя 6 подключенный к фазе А, накопительный конденсатор 8, диод анодной (катодной, в зависимости от полярности напряжения U) труппы трехфазного выпрямителя 6 подключенный к фазе В, дополнительный зарядный резистор 16, контакт 19 автоматического выключателя 15 и фаза В питающей сети 5. При положительной полуволне напряжения U будут работать диод катодной группы, подключенный к фазе А, и диод анодной группы, подключенный к фазе В, и наоборот при отрицательной полуволне напряжения U будут работать диод анодной группы, подключенный к фазе А, и диод катодной группы, подключенный к фазе В. Таким образом, схема заряда представляет собой однофазный двухполупериодный выпрямитель с ограничением тока заряда величиной суммарного сопротивления зарядного резистора 2 и дополнительного зарядного резистора 16 установленных на стороне переменного тока. При этом процесс нарастания напряжения на конденсаторе 8 носит экспоненциальный характер с постоянной времени определяемой параметрами суммарного сопротивления зарядного резистора 2 и дополнительного зарядного резистора 16 и величиной емкости накопительного конденсатора 8. Ток изменяется по величине обратной экспоненциальной зависимости от максимального значения ограниченного величиной суммарного сопротивления зарядного резистора 2 и дополнительного зарядного резистора 16 до нуля с той же постоянной времени. После окончания процесса заряда система управления 1 будет запитана с выхода выпрямителя напряжения 6 из звена постоянного тока. Если при заряде накопительного конденсатора 8 не произошло аварийных ситуации, система управления 1 провела диагностику состояния элементов преобразователя частоты и не выявила аварийных режимов, она включит катушку 4 контактора, который замкнет контакты 3 контактора, тем самым осуществив силовое подключение преобразователя частоты к питающей сети 5. Контакты 17 и 19 автоматического выключателя 15 должны быть рассчитаны на значение номинального тока в 5-7 раз меньшее значения пускового или зарядного тока накопительного конденсатора 8. При этом автоматический выключатель 15 защищает зарядную цепь и весь преобразователь частоты от короткого замыкания в звене постоянного тока либо на входе трехфазного выпрямителя напряжения 6. В случае короткого замыкания в звене постоянного тока либо на входе трехфазного выпрямителя напряжения 6 ток, потребляемый из сети 5, будет ограничен лишь величиной суммарного сопротивления зарядного резистора 2 и дополнительного зарядного резистора 16, при этом действующее значение тока будет неизменно, что приведет к срабатыванию автоматического выключателя 15 и отключению преобразователя частоты от питающей сети 5. При этом система управления 1 не получит питание и не сможет включить катушку 4 и контакты 3 входного силового контактора. Кроме того, отключенный автоматический выключатель 15 обеспечивает возможность безопасного обслуживания и ремонта преобразователя частоты при наличии напряжения на фазах питающей сети 5. В случае аварийного срабатывания автоматического выключателя 1.5 и после устранения неисправности в преобразователе частоты можно сразу же осуществить пробный запуск без замены элементов зарядной цепи. Достоинством предложенной схемы является и то, что система управления 1 запитана от звена постоянного тока. При такой схеме питания система управления 1 может получать, сохранять и анализировать информацию с датчиков преобразователя частоты при его аварийном отключении. Еще одним достоинством такой схемы является то, что зарядный резистор 2 и дополнительный зарядный резистор 16 находятся под напряжением и ограничивают ток заряда накопительного конденсатора 8 только в процессе подготовки преобразователя частоты к работе на небольшом промежутке времени, а после включения контактов 3 контактора будут зашунтированы. Достоинством предложения можно считать и то, что в случае пропадания напряжения на фазах питающей сети 5, а затем его появления преобразователь частоты выполнит автоматизированный заряд накопительного конденсатора 8 и подготовку преобразователя частоты к работе.
С целью возможности дистанционного включения и отключения зарядной цепи преобразователя частоты (Фиг. 2) по команде с системы верхнего уровня автоматический выключатель 15 может быть снабжен электромагнитной катушкой включения 20 и электромагнитной катушкой выключения 21, которые могут управляться с клемм 22 системы верхнего уровня. Для возможности автоматизированного полного отключения преобразователя частоты от питающей сети в аварийных ситуациях электромагнитная катушка выключения 21 может быть подключена к системе управления 1 преобразователем частоты. Так при возникновении аварийной ситуации система управления включит электромагнитную катушку выключения 21 и полностью отключит преобразователь частоты от питающей сети 5. отключив контакты 3 и контакты 17, 19 автоматического выключателя 15.
С целью защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током преобразователь частоты (Фиг. 3) может быть снабжен устройством защитного отключения 23. Устройство защитного отключения 23 позволяет осуществить диагностику снижения сопротивления изоляции преобразователя частоты, а также выявить замыкание цепей преобразователя частоты на корпус. Устройство защитного отключения 23, включено в цепь между контактами 17, 19 автоматического выключателя 15 и зарядными резисторами 2, 16. При включении автоматического выключателя 15 и при наличии замыкания цепей преобразователя частоты на корпус или снижении изоляции токи, протекающие через зарядный резистор 2 и дополнительный зарядный резистор 16, будут не равны при этом сработает устройство защитного отключения 23. Механический расцепитель 24 устройства защитного отключения 23 отключит контакты 17, 19 автоматического выключателя 15 и разорвет цепь заряда и, следовательно, не дает включиться преобразователю частоты. При этом контакт 25 устройства защитного отключения выдаст сигнал о неудачном заряде накопительного конденсатора и неудачном запуске преобразователя частоты в систему верхнего уровня.
Для того чтобы обезопасить обслуживающий персонал и уменьшить число управляющих переменных и сигналов управления в преобразователе частоты (Фиг. 4) он может быть выполнен, гак что автоматический выключатель 15 дополнительно содержит нормально открытый блок контакт 26 установленный в цепь питания катушки 3 контактора. При необходимости отключения преобразователя частоты от питающей сети при его работе в штаг-ном режиме или в случае аварийной ситуации достаточно отключить автоматический выключатель 15, при этом автоматизировано отключаться и контакты 3 контактора посредствам отключения питания катушки 4 контактора блок контактом 26.
Таким образом, предлагаемое устройство упрощает конструкцию преобразователя, повышает безопасность обслуживающего персонала и эффективность работы, повышает надежность, упрощает монтаж и эксплуатацию, снижает вес, и габариты, а также позволяет значительно расширить функциональные возможности.