ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY CONVERTER

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к статическим электрическим преобразователям с двойным преобразованием электрической энергии.
Известно устройство и метод предварительного заряда накопительного конденсатора электрического преобразователя и диагностики состояния зарядной цепи (патент US 20100080022 А1, класс Н02Н 7/125, дата приоритета 26.09.2008 г., дата публикации 01.04.2010 г.), содержащее трехфазный входной контактор переменного тока, выпрямитель напряжения, инвертор напряжения, накопительный конденсатор, контактор звена постоянного тока и зарядный резистор, установленный после выпрямителя и ограничивающий ток заряда накопительного конденсатора. Контактор звена постоянного тока шунтирует зарядный резистор после окончания процесса заряда. Недостатком известного устройства является необходимость установки трехфазного входного контактора переменного тока и дополнительного контактора звена постоянного тока которые должны быть рассчитаны на полный ток нагрузки преобразователя частоты.
Известно устройство преобразователя частоты (журнал "Электротехника", декабрь 2001, "Сравнительный анализ алгоритмов управления автономными инверторами напряжения в асинхронных электроприводах", автор Грузов В.Л. с. 34-40), содержащее входной силовой контактор, выпрямитель напряжения, 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 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. Еще одним весомым недостатком такой схемы является то, что при выключенном контакторе схема преобразователя частоты всегда находиться под силовым напряжением питающей сети.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является преобразователь частоты (патент RU 2653856 С2, заявка 2016137554, от 20.09.2016, класс Н02М 5/42, дата приоритета 20.09.2016 г., дата публикации 21.03.2018 г., авторы: Гельвер А.А., Гельвер Ф.А.), содержащий систему управления, зарядный резистор, входной контактор, автономный инвертор напряжения, накопительный конденсатор и тормозной модуль, реле и два предохранителя. Заряд накопительного конденсатора производится по цепи параллельной цепи главных силовых контактов контактора с помощью двух нормально открытых контактов реле, двух предохранителей и одного зарядного резистора. Положительным эффектом предложения является повышение надежности и эффективности, а также безопасности использования преобразователя частоты. Недостатком известного устройства является наличие большого количества элементов зарядной цепи, а именно трехфазного входного контактора, зарядного двухполюсного реле и двух предохранителей.
Предлагаемый преобразователь частоты позволяет значительно упростить конструкцию устройства и значительно повысить надежность, безопасность устройства при эксплуатации, повысить эффективность, и расширить функциональные возможности, улучшить габаритные и эксплуатационные характеристики, а также осуществить возможность питания системы управления как непосредственно от питающей сети, так и от накопительного конденсатора звена постоянного тока. Возможность питания системы управления преобразователя частоты от звена постоянного тока позволит осуществлять работу системы управления с сохранением полученных от датчиков тока, частоты вращения, напряжения и прочих датчиков данных в случае отключения преобразователя частоты от питающей сети при возникновении аварийной ситуации. Сохранение полученных данных позволит осуществить возможность считывания и осуществить анализ и диагностику процессов, которые привели к нештатному отключению преобразователя частоты от питающей сети. Предложенное схемное решение также позволит осуществить автоматизированный заряд накопительного конденсатора звена постоянного тока и осуществить подготовку преобразователя частоты к работе при подаче на него питания.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в схеме преобразователя частоты, содержащей систему управления, зарядный резистор, предохранитель, входной контактор, состоящий из нормально открытых контактов и катушки, которая подключена к системе управления, два контакта контактора своим входом соединены с двумя фазами трехфазной питающей сети, а своим выходом соединены с двумя входами 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 своим первым выводом подключен к одному из входов выпрямительного моста и выходу первого контакта контактора, второй вывод резистора подключен к первому выводу предохранителя, предусмотрены следующие отличия: преобразователь частоты содержит дополнительный блок питания, вход которого подключен к выходу выпрямительного моста, а выход дополнительного блока питания подключен к системе управления преобразователем частоты, второй вывод предохранителя подключен к фазе питающей сети и входу первого контакта контактора, третий оставшийся незадействованным вход выпрямительного моста подключен к оставшейся фазе трехфазной питающей сети.
Кроме того, преобразователь частоты может содержать дополнительное реле, состоящее из катушки и контакта, причем контакт реле подключен к системе управления, а катушка реле подключена к выходу выпрямительного моста.
Кроме того, преобразователь частоты может содержать дополнительное реле, состоящее из катушки и контакта реле, причем контакт реле установлен между вторым выводом резистора и первым выводом предохранителя, а катушка реле может быть запитана от системы управления верхнего уровня.
Кроме того, преобразователь частоты может содержать автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем, содержащий силовые контакты, катушку электромагнитного расцепителя и блок-контакт системы управления, причем два силовых контакта автоматического выключателя своим входом соединены с двумя фазами трехфазной питающей сети, а своим выходом соединены с двумя входами трехфазного выпрямительного моста, а катушка электромагнитного расцепителя подключена к системе управления.
Сущность изобретения поясняется чертежами - на Фиг. 1 представлена схема преобразователя частоты, на Фиг. 2 - представлена схема преобразователя частоты содержащего дополнительное реле позволяющее производить автоматизированную подготовку преобразователя частоты к работе, на Фиг. 3 - представлена схема преобразователя частоты содержащего дополнительное реле позволяющее производить подготовку преобразователя частоты к работе с помощью сигнала из системы управления верхнего уровня, на Фиг. 4 -изображен вариант схемы преобразователя частоты, с использованием автоматического выключателя позволяющего осуществлять коммутацию входного напряжения преобразователя частоты и осуществлять защиту преобразователя частоты от токов короткого замыкания и перегрузки.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг 1, содержит систему управления 1, зарядный резистор 2, предохранитель 3, входной контактор, состоящий из нормально открытых контактов 4, 5 и катушки 6. Катушка 6 контактора подключена к системе управления 1. Два контакта 4, 5 контактора своим входом соединены с двумя фазами трехфазной питающей сети 7, а своим выходом соединены с двумя входами трехфазного выпрямительного моста 8. К выходу трехфазного выпрямительного моста 8 подключены автономный инвертор напряжения 9, накопительный конденсатор 10 и тормозной модуль 11, состоящий из транзистора 12 двух диодов 13, 14 и тормозного резистора 15. Коллектор транзистора 12 соединен с катодом первого диода 13 и положительной шиной выпрямительного моста 8, а эмиттер транзистора 12 соединен с анодом первого диода 13, катодом второго диода 14 и первым выводом тормозного резистора 15, второй вывод которого соединен с анодом второго диода 14 и отрицательной шиной выпрямительного моста 8. Зарядный резистор 2 своим первым выводом подключен к одному из входов выпрямительного моста 8 и выходу первого контакта 4 контактора. Второй вывод резистора 2 подключен к первому выводу предохранителя 3. Преобразователь частоты содержит дополнительный блок питания 16, вход которого подключен к выходу выпрямительного моста 8, а выход дополнительного блока питания 16 подключен к системе управления 1 преобразователем частоты. Второй вывод предохранителя 3 подключен к фазе питающей сети 7 и входу первого контакта 4 контактора, третий оставшийся незадействованным вход выпрямительного моста 8 подключен к оставшейся фазе трехфазной питающей сети 7.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 2, может содержать дополнительное реле, состоящее из катушки 17 и контакта 18. Контакт 18 реле подключен к системе управления 1, а катушка 17 реле подключена к выходу выпрямительного моста 8.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 3, может содержать дополнительное реле, состоящее из катушки 19 и контакта 20 реле. Контакт 20 реле установлен между вторым выводом резистора 2 и первым выводом предохранителя 3, а катушка 19 реле может быть запитана от системы управления верхнего уровня 21.
Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 4, может содержать автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем, содержащий силовые контакты 22, катушку 23 электромагнитного расцепителя и блок-контакт 24 системы управления 1. Два силовых контакта 22 автоматического выключателя своим входом соединены с двумя фазами трехфазной питающей сети 7, а своим выходом соединены с двумя входами трехфазного выпрямительного моста 8, а катушка 23 электромагнитного расцепителя и блок-контакт 24 подключены к системе управления 1.
Работа преобразователя частоты происходит следующим образом. При подаче питания на трехфазную питающую сеть 7 происходит автоматизированный заряд накопительного конденсатора 10 по цепи фаза А питающей сети 7, предохранитель 3, зарядный резистор 2, первый вход выпрямительного моста 8, положительная шина выпрямительного моста 8, накопительный конденсатор 10, отрицательная шина выпрямительного моста 8, третий вход выпрямительного моста 8 и фаза С питающей сети 7. При этом выпрямительный мост 8 работает в режиме однофазного двухполупериодного выпрямителя. Зарядный ток накопительного конденсатора 10 ограничен величиной сопротивления зарядного резистора 2. При этом процесс нарастания напряжения на конденсаторе носит экспоненциальный характер с постоянной времени определяемой параметрами сопротивления зарядного резистора 2 и параметрами емкости накопительного конденсатора 10. Ток заряда изменяется по величине обратной экспоненциальной зависимости от максимального значения ограниченного величиной сопротивления зарядного резистора 2 до нуля с той же постоянной времени. После окончания процесса заряда система управления 1 включит катушку 6 контактора, который замкнет свои контакты 4, 5, осуществив силовое подключение преобразователя частоты к питающей сети 7. Таким образом, обеспечится подключение преобразователя частоты к питающей сети 7 контактами 4, 5 контактора, и начинается работа инвертора напряжения 9 по заданному алгоритму работы. Предохранитель 3 защищает зарядную цепь и весь преобразователь частоты от короткого замыкания в звене постоянного тока в режиме подключения преобразователя частоты к питающей сети 7. В случае короткого замыкания в звене постоянного тока либо на входе трехфазного выпрямительного моста 8 ток, потребляемый из питающей сети 7, будет ограничен лишь величиной сопротивления зарядного резистора 2, при этом действующее значение тока будет неизменно, что приведет к срабатыванию предохранителя 3 и отключению преобразователя частоты от питающей сети 7. Достоинством предложенного устройства является простота схемной реализации, высокая надежность, улучшенные массогабаритные характеристики. При этом система управления 1 может получать питание от дополнительного блока питания 16, вход которого подключен к выходу выпрямительного моста 8, причем система управления включиться только тогда когда напряжение в звене постоянного тока на накопительном конденсаторе 10 преобразователя частоты будет близким к номинальному. А выключение системы управления 1, произойдет тогда, когда напряжение на накопительном конденсаторе 10 станет меньше допустимого минимального напряжения необходимого для работы дополнительного блока питания 16. При этом система управления 1 может получать, сохранять и анализировать информацию с датчиков преобразователя частоты. Еще одним достоинством такой схемы является то, что зарядный резистор 2 находится под напряжением и ограничивает ток заряда накопительного конденсатора 10 только в процессе подготовки преобразователя частоты к работе на небольшом промежутке времени. Следует отметить, что такая схемная реализация позволяет осуществлять питание системы управления 1 преобразователем частоты от двух независимых блоков питания параллельно. Например, через блок питания (на рис. не показано), непосредственно подключенный к питающей сети 7 и от дополнительного блока питания 16.
С целью автоматизации заряда накопительного конденсатора 10 преобразователя частоты, в схему преобразователя частоты изображенной на Фиг. 2 может быть добавлено дополнительное реле с катушкой 17 включенной параллельно накопительному конденсатору 10. При достижении напряжения на катушке 17 близкого к номинальному напряжению звена постоянного тока преобразователя частоты она замкнет контакт 18 и в систему управления поступит сигнал о завершении процесса заряда накопительного конденсатора 10. При этом система управления включит катушку 6 контактора, который замкнет свои контакты 4, 5, осуществив силовое подключение преобразователя частоты к питающей сети 7. Таким образом, обеспечится подключение преобразователя частоты к питающей сети 7 контактами 4, 5 контактора, и начинается работа инвертора напряжения 9 по заданному алгоритму работы. В случае короткого замыкания либо пониженного напряжения звена постоянного тока катушка 17 дополнительного реле не включится, и не замкнет контакт 18 в системе управления, сигнализируя о неудачной попытке заряда накопительного конденсатора 10 и неисправности в преобразователе частоты.
С целью повышения электробезопасности при эксплуатации преобразователя частоты, а также с целью того чтобы преобразователь частоты осуществлял силовое подключение только тогда когда это необходимо, схема преобразователя частоты изображенная на Фиг. 3 может быть снабжена дополнительным реле. Контакт 20 дополнительного реле, установленный между предохранителем 3 и зарядным резистором 2, будет включаться от катушки 19 реле по команде от системы управления верхнего уровня 21. При этом обеспечивается защита всех цепей преобразователя частоты от токов короткого замыкания и перегрузки с использованием предохранителя 3. Контакт 20 реле должен быть рассчитан на коммутацию зарядного тока накопительного конденсатора 10.
Для защиты преобразователя частоты во время работы от возможных коротких замыканий и токов перегрузки преобразователь частоты, изображенный на Фиг. 4, может быть снабжен автоматическим выключателем с электромагнитным расцепителем, содержащим силовые контакты 22 и катушку электромагнитного расцепителя 23. Работа схемы преобразователя частоты, изображенного на Фиг. 4, аналогична работе преобразователя частоты, изображенного на Фиг 1, за тем исключением, что в процессе работы преобразователя частоты в случае перегрузки либо короткого замыкания силовые контакты 22 автоматического выключателя с электромагнитным расцепителем, сработав от тока перегрузки либо токов короткого замыкания, отключат преобразователь частоты от питающей сети 7. При аварийном срабатывании автоматического выключателя он выдаст в систему управления сигнал с помощью блок-контакта 24 о своем аварийном отключении.
Таким образом, предлагаемое устройство преобразователя частоты существенно упрощает конструкцию, повышает надежность, улучшает эксплуатационные свойства и характеристики, повышает безопасность обслуживающего персонала и повышает эффективность своей работы, упрощает изготовление, монтаж и эксплуатацию, снижает вес, габариты и стоимость, что выгодно отличает его от прототипа.