ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2015 года по МПК H02M5/458 

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к электрическим преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии.

Известно устройство преобразователя частоты [патент US 2005/0168897 A1, класс H02H 7/00, дата выдачи 04.08.2005], содержащее выпрямитель, накопительный конденсатор звена постоянного тока и инвертор. В представленном устройстве предложены различные схемные варианты заряда накопительного конденсатора с использованием дросселя, резистора и управляемого выпрямителя, которые ограничивают ток заряда. Недостатком предложенных схем преобразователя частоты является наличие дополнительных дросселей, которые должны быть рассчитаны на полный ток преобразователя, либо наличие полууправляемого выпрямителя с тиристорами, рассчитанными на коммутацию силовой цепи преобразователя и т.д.

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], содержащего 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 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 недостатком такой схемы является и то, что при выключенном контакторе схема преобразователя частоты находится под силовым напряжением.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь частоты [патент US 2008/0310202 A1, класс H02M 5/458, дата выдачи 18.12.2008], содержащее входной трехфазный дроссель, выпрямитель, инвертор, накопительный конденсатор и зарядный резистор, установленный после выпрямителя и ограничивающий ток заряда конденсатора, а также контактор, шунтирующий зарядный резистор после окончания заряда. Недостатком известного устройства является резисторный способ ограничения зарядного тока накопительного конденсатора. При протекании тока во время заряда на резисторе будет выделяться энергия, которая бесполезно рассеивается в виде тепла, причем резистор ограничивает начальное значение пускового тока, после чего ток по экспоненциальному закону снижается до нуля, тем самым затягивая время заряда конденсатора.

Предлагаемый преобразователь частоты позволяет повысить энергетическую эффективность устройства в режиме включения, уменьшить время подготовки преобразователя частоты к работе, упростить конструкцию устройства, повысить надежность и улучшить эксплуатационные характеристики.

Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг.1, содержит систему управления 1, трехфазный двухполупериодный выпрямитель 2, контактор, состоящий из катушки управления 3 и контакта 4, накопительный конденсатор 5 и автономный инвертор напряжения 6. К ″плюсовому″ выводу выпрямителя 2 подключен первый вывод контакта 4 контактора, ″плюсовые″ выводы автономного инвертора напряжения 6 и накопительного конденсатора 5 соединены между собой, а к ″минусовому″ выводу выпрямителя 2 подключены ″минусовые″ выводы автономного инвертора напряжения 6 и накопительного конденсатора 5, а катушка 3 контактора соединена с системой управления 1. Преобразователь частоты снабжен транзистором 7, диодом 8 и дросселем 9. Коллектор транзистора 7 соединен с ″плюсовым″ выводом выпрямителя 2 и первым выводом контакта 4 контактора. Эмиттер транзистора 7 соединен с катодом введенного диода 8 и со вторым выводом контакта 4 контактора и первым выводом дросселя 9, второй вывод которого соединен с ″плюсовыми″ выводами автономного инвертора напряжения 6 и накопительного конденсатора 5. Анод диода 8 соединен с ″минусовыми″ выводами выпрямителя 2, автономного инвертора напряжения 6 и накопительного конденсатора 5.

Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг.2, может быть снабжен тормозной цепочкой 10, состоящей из транзистора 11, двух диодов 12, 13 и резистора 14. Коллектор транзистора 11 и катод первого диода 12 соединены с первым выводом дросселя 9, а эмиттер транзистора 11 и анод первого диода 12 соединены с катодом второго диода 13 и первым выводом резистора 14. Анод второго диода 13 и второй вывод резистора 14 соединены с ″минусовыми″ выводами выпрямителя 2, автономного инвертора напряжения 6 и накопительного конденсатора 5.

Работа преобразователя частоты происходит следующим образом. При подаче переменного напряжения на входные выводы преобразователя частоты ″A″, ″B″, ″C″ выпрямитель 2, собранный по схеме ″Ларионова″, производит выпрямление этого напряжения на своем выходе до уровня, определяемого коэффициентом схемы. При поступлении внешнего сигнала на включение преобразователя частоты, система управления 1, осуществляя управление транзистором 7, работающем в режиме широтно-импульсной модуляции, производит заряд накопительного конденсатора 5. При этом цепь заряда состоит из следующей цепи: ″плюсовой″ вывод выпрямителя 2, открытый транзистор 7, дроссель 9, конденсатор 5 и ″минусовой″ вывод выпрямителя 2. В те моменты времени, когда транзистор 7 закрывается, ток заряда, протекающий через дроссель 9 и накопительный конденсатор 5, замыкается через диод 8, тем самым исключая возможные коммутационные перенапряжения на транзисторе 7, вызванные индуктивно-емкостным характером нагрузки.

Транзистор 7 работает в ключевом режиме со скважностью

γ₇=t₇/T=U_вых/U_вх,

где t₇ - время замкнутого состояния ключа 7, Т - период повторяемости импульсов, U_вых - уровень напряжения на эмиттере транзистора 7 относительно ″минусового″ вывода выпрямителя, U_вх - напряжение на выходе выпрямителя 2. Таким образом, регулируя уровень выходного напряжения U_вых, можно осуществлять регулирование и стабилизацию тока заряда накопительного конденсатора 5. Для реализации автоматизированной системы заряда накопительного конденсатора 5 преобразователя частоты необходима установка датчиков напряжения на конденсаторе 5 и датчика тока, установленного в цепи заряда накопительного конденсатора 5. Следует отметить, что используя датчик напряжения на конденсаторе 5 и датчик тока в цепи дросселя 9, можно производить диагностику состояния цепи звена постоянного тока и инвертора 6. После окончания процесса заряда, когда напряжение на накопительном конденсаторе 5 становится равным амплитуде напряжения питания выпрямителя 2, зарядный ток становится равным нулю. При этом транзистор 7 отключается и включается катушка 3 контактора, которая замыкает свой контакт 4, в звене постоянного тока преобразователя частоты, шунтируя переход коллектор-эмиттер транзистора 7. В результате чего произойдет подключение инвертора 6 преобразователя частоты к питающей сети через силовой контакт 4 контактора и начнется работа инвертора напряжения 6 по заданному алгоритму.

Токи коллектора транзистора 7 и диода 8 должны быть рассчитаны на коммутацию только зарядного тока накопительного конденсатора 5, а контакт 4 контактора - на коммутацию максимально возможного тока нагрузки.

В схеме, изображенной на Фиг.2, добавлена тормозная цепь 10, которая используется для рассеяния энергии торможения электропривода в случае рекуперации энергии от нагрузки в звено постоянного тока. Работа предложенной схемы осуществляется аналогичным образом, что и схемы, представленной на Фиг.1, с той лишь разницей, что функцию защиты транзистора 7 от коммутационных перенапряжении выполняют элементы 12 и 13 тормозной цепи 10.

Таким образом, используя зарядный транзистор с незначительным номинальным током коллектора и контролируя напряжение и ток заряда накопительного конденсатора, можно реализовать систему заряда накопительного конденсатора и систему диагностики звена постоянного тока. Предлагаемое устройство преобразователя частоты повышает энергетическую эффективность и надежность работы, а также значительно улучшить эксплуатационные характеристики.

Настоящее изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям электрической энергии, построенным по схеме двухзвенных электрических преобразователей.

Технический результат - повышение энергетической эффективности устройства, уменьшение времени подготовки преобразователя частоты к работе, повышение надежности, а также улучшение эксплуатационных характеристик. Результат достигается тем, что в схему электрического преобразователя добавлены транзистор, диод и дроссель, которые позволили организовать цепь заряда накопительного конденсатора. При этом ограничение и стабилизация тока заряда организованы с использованием полностью управляемого ключевого элемента - транзистора, работающего в режиме широтно-импульсной модуляции. Используя зарядный транзистор с незначительным номинальным током коллектора, можно реализовать систему заряда накопительного конденсатора и систему диагностики звена постоянного тока и инвертора напряжения. Предлагаемое устройство преобразователя частоты позволяет повысить энергетическую эффективность и надежность работы, а также значительно улучшить эксплуатационные характеристики. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь частоты, содержащий систему управления, трехфазный двухполупериодный выпрямитель, контактор, состоящий из катушки управления и контакта, накопительный конденсатор и автономный инвертор напряжения, причем к ″плюсовому″ выводу выпрямителя подключен первый вывод контакта контактора, ″плюсовые″ выводы автономного инвертора напряжения и накопительного конденсатора соединены между собой, а к ″минусовому″ выводу выпрямителя подключены ″минусовые″ выводы автономного инвертора напряжения и накопительного конденсатора, а катушка контактора соединена с системой управления, отличающийся тем, что он снабжен транзистором, диодом и дросселем, причем коллектор транзистора соединен с ″плюсовым″ выводом выпрямителя и первым выводом контакта контактора, а эмиттер транзистора соединен с катодом введенного диода и со вторым выводом контакта контактора и первым выводом дросселя, второй вывод которого соединен с ″плюсовыми″ выводами автономного инвертора напряжения и накопительного конденсатора, а анод диода соединен с ″минусовыми″ выводами выпрямителя, автономного инвертора напряжения и накопительного конденсатора.

2. Преобразователь частоты по п.1, отличающийся тем, что он снабжен тормозной цепочкой, состоящей из транзистора, двух диодов и резистора, причем коллектор транзистора и катод первого диода соединены с первым выводом дросселя, а эмиттер и анод первого диода соединены с катодом второго диода и первым выводом резистора, а анод второго диода и второй вывод резистора соединены с ″минусовыми″ выводами выпрямителя, автономного инвертора напряжения и накопительного конденсатора.