Частотный преобразователь для трехфазных асинхронных электродвигателей с возможностью питания от низковольтного источника постоянного напряжения

Полезная модель относится к электротехнике и импульсной силовой электронике, в частности к устройствам частотного управления электроприводом на основе трехфазных асинхронных двигателей.
Известны преобразователи, позволяющие управлять частотой вращения трехфазных асинхронных двигателей, питающихся от стандартной однофазной (220 В, 50 Гц) или трехфазной (220/380 В, 50 Гц) сети [Зиновьев Г.С. Силовая электроника: учеб. Пособие для бакалавров / Г.С. Зиновьев. - 5-е изд. - М: Издательство Юрайт, 2012, - 667 с. - Серия: Бакалавр. Углубленный курс, стр. 480-486, рис. 10.2.1, рис. 10.2.3]. К недостаткам известных преобразователей относится тот факт, что возможность их применения ограничено наличием указанной однофазной или трехфазной сети. Известны также класс устройств - инверторы, питающиеся от постоянного напряжения [Резников С.Б. и др. «Многофункциональные конверторно-инверторные преобразователи для авиационных систем электроснабжения». Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск №71]. Данные устройства позволяют получать на выходе напряжение, соответствующее стандартной однофазной или трехфазной сети, но не имеют возможности управлять частотой выходного напряжения
Существует множество областей применение электроприводов, когда они должны сохранять работоспособность при пропадании основного электропитания, а также иметь возможность работы от единственного низковольтного источника постоянного напряжения (аккумуляторных батарей и суперконденсаторов). К подобным областям применения можно отнести управление запорной арматурой на магистральных трубопроводах и в других случаях, особо критичных к бесперебойности функционирования электроприводов.
Наиболее близким, принятым за прототип, является силовой IGBT модуль Mitsubishi Electric (Воронин П.А., «Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики и применение», Москва, издательский дом «Додэка-ХХ1» 2001 г.). Приведенный модуль, используемый в качестве прототипа, питается от напряжения, полученного путем выпрямления переменного напряжения стандартной однофазной или трехфазной сети, что не позволяет обеспечить возможность его работы от низковольтного источника питания.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, состоит в расширении функциональных возможностей преобразователя частоты для трехфазных асинхронных двигателей.
Технический результат заключается в обеспечении возможности питания преобразователя не только от стандартной электрической сети (как у прототипа), но и от низковольтного источника постоянного напряжения. Указанный технический результат достигается тем, что в преобразователь частоты, включающий входные выводы для подключения питания переменного напряжения, выходные выводы для подключения трехфазного асинхронного двигателя, трех блоков однофазных силовых ключей с блоком управления ими и трехфазного выпрямителя с емкостным фильтром введены входные выводы для подключения низковольтного источника постоянного напряжения, соединенные с входом инвертора, состоящего из блока генератора импульсов управления силовыми ключами, блока силовых ключей на основе MOSFET-транзисторов, импульсного трансформатора, мостового выпрямителя с L-C фильтром, а также реле контроля фаз, подключенное к входным выводам источника питания переменного напряжения, осуществляющее запуск генератора импульсов инвертора в случае пропадания основного источника питания переменного напряжения. На фигуре представлена схема предлагаемого преобразователя.
Частотный преобразователь содержит входные выводы 1, 2 и 3 для подключения основного источника питания переменного тока 220/380 В 50 Гц., входные выводы 4 и 5 для подключения резервного источника постоянного напряжения, к которым подключен резервный источник питания (аккумуляторная батарея, суперконденсатор), выходные выводы 6,7 и 8 для подключения трехфазного асинхронного двигателя и преобразователь 20, состоящий из трех блоков однофазных силовых ключей 9, 10 и 11, блока управления ключами 12 и трехфазного выпрямителя с емкостным фильтром 13. Частотный преобразователь содержит также инвертор 14, включающий в себя силовые ключи на основе MOSFET-транзисторов 16 с генератором импульсов управления 15, импульсного повышающего трансформатора 17, вторичные обмотки которого подключены к мостовому выпрямителю 18 с L-С фильтром 21, положительные и отрицательные выходы которого подключены соответственно к положительным и отрицательным выводам трехфазного выпрямителя 13.
Частотный преобразователь содержит также реле контроля фаз 19, входы которого подключены к входным выводам основного источника питания 1,2 и 3, а выходы подключены к входу генератора импульсов управления 15.
Основным режимом работы частотного преобразователя является случай, когда он питается от входных выводов 1,2 и 3, то есть от основного источника питания переменного тока 220/380 В 50 Гц. Реле контроля фаз 19 контролирует наличие напряжения требуемого уровня на всех трех линиях питающих фаз. В случае корректного напряжения на всех трех фазах оно вырабатывает выходной сигнал, запрещающий работу генератора импульсов управления 15. При этом силовые ключи на основе MOSFET-транзисторов 16 всегда выключены, и ток в первичной обмотке импульсного повышающего трансформатора 17 отсутствует, и, следовательно, отсутствует ток на вторичной обмотке указанного трансформатора.
Трехфазное напряжение от основного источника питания с входных выводов 1, 2 и 3 выпрямляется трехфазным выпрямителем 13 и сглаживается содержащимся в нем емкостным фильтром. При это конденсаторы фильтра заряжаются до напряжения приблизительно равным амплитудным значениям переменного напряжения, что составляет около 540 В, при питании от сети 220/380 В. Выпрямленное напряжение коммутируется тремя однофазными силовыми ключами 9, 10 и 11 под управлением блока управления силовыми ключами 12, обеспечивая формирования трехфазного переменного напряжения на выходных выводах 6, 7 и 8 методом широко-импульсной модуляции. Блок управления силовыми ключами не имеет отличий от прототипа полезной модели.
В этом случае оказывается, что все диоды мостового выпрямителя 18 в инверторе 14 заперты обратным смещением от выходного напряжения выпрямителя 13, то есть наличие в схеме инвертора 14 никак не влияет на работу частотного преобразователя.
Таким образом, при питании частотного преобразователя от основного источника питания переменного тока его работа происходит аналогично прототипу.
В случае некорректного основного питания (пропадания одной или всех фаз) или понижения напряжения ниже допустимого уровня срабатывает реле контроля фаз 19, чем разрешает работу генератора импульсов управления 15. Последний начинает вырабатывать серию противофазных импульсов с частотой порядка 70Кгц, которые обеспечивают коммутацию первичной обмотки импульсного повышающего трансформатора 17 с помощью силовых ключей на основе MOSFET транзисторов 16, то есть производится запуск в работу инвертора 14.
Вторичная обмотка импульсного повышающего трансформатора 17 рассчитана так, чтобы выходное напряжение на ней при работе инвертора 14 приблизительно соответствовало амплитудному значению основного источника питания 540 В. Напряжение со вторичной обмотки выпрямляется мостовым выпрямителем 18 и сглаживается L-C фильтром 21.
В данном случае оказываются запертыми все диоды трехфазного выпрямителя 13, поскольку они находятся под обратным смещением выходным напряжением инвертора 14. При этом однофазные силовые ключи 9, 10 и 11, управляемые блоком управления силовыми ключами 12 продолжают работать в прежнем режиме, поскольку получают такое же напряжение питания (около 540 В) как и в случае питания от основного источника.
Емкость конденсаторов емкостного фильтра, входящего в состав трехфазного выпрямителя 13 должна быть достаточной для обеспечения питания нагрузки в течении времени выхода инвертора 14 на номинальный режим, что обычно составляет несколько десяток долей секунды.
При возобновлении основного питания от входных выводов 1, 2 и 3 реле контроля фаз 19 запретит работу генераторов импульсов управления 15, в результате чего инвертор 14 прекратит работу и схема продолжит работу от основного источника питания, как было описано выше. В качестве блока силовых ключей 16 следует использовать MOSFET транзисторы, поскольку такой выбор предпочтителен для случая коммутации больших токов при относительно невысоких напряжениях порядка десяток вольт по причине весьма низкого сопротивления открытого транзистора, составляющее у современных транзисторов единицы миллиОм. Этот факт обусловливает низкие потери мощности по сравнению с биполярными или IGBT транзисторами. Например, при использовании в качестве указанных ключей MOSFET транзисторов фирмы International Rectifier типа IRFP4368PBF, имеющих сопротивления в открытом состоянии 1,7 мОм падение напряжения на них при токе 100А составит 0,17 В. При этом мощность рассеивания на транзисторе составит 17 Вт. Известно, что падение напряжения на открытом биполярном или IGBT транзисторе мало зависит от протекающего тока и для токов указанных величин составляет порядка 1-2 В для биполярного и 2-3 В для IGBT транзистора, поэтому в аналогичном случае на ключевом биполярном транзисторе будет рассеиваться порядка 100-200 Вт, а на IGBT - 200-300 Вт.
Инвертор выполнен по двухтактной схеме типа push-pull, поскольку такая схема предпочтительней, чем другие известные схемы (полумост и полный мост), в случае питания от низковольтного источника. Преимуществом схемы по отношению к полному мосту является меньшее количество ключевых элементов (2 вместо 4), что приводит к меньшим потерям на них и упрощает схему управления (отсутствуют верхние ключи). Преимуществом перед полумостовой схемой является вдвое меньший ток через первичную обмотку, что упрощает конструкцию импульсного повышающего трансформатора (уменьшается сечение провода первичной обмотки). Помимо этого известно, что в полумостовой схеме «холодный вывод» первичной обмотки трансформатора подключается к выводам питания через разделительные конденсаторы. При этом через них протекает весь ток, потребляемый инвертором, который может быть весьма большим. Например при мощности инвертора в 2кВт, питающегося от источника напряжения 24 В потребляемый ток составляет 83 А. Все конденсаторы имеют конечную величину эквивалентного последовательного сопротивления, на котором будет иметь место падение напряжения, приводящим к нагреву конденсаторов. Этот факт будет приводить к снижению КПД устройства, а также вызывать нежелательный нагрев конденсаторов, что может привести к выводу их из строя.
Таким образом, в предлагаемом частотном преобразователе по сравнению с прототипом обеспечивается технический результат, заключающийся в обеспечении возможности питания преобразователя не только от стандартной электрической сети, но и от низковольтного источника постоянного напряжения.