ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2017 года по МПК H02M5/458 

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

Известен преобразователь частоты (патент CN 1114086, класс Н02М 5/42, 27.12.1995 г., Structure of a static frequency converter, Bidaud Francis, Benoit Sylvain, Plisson Jacques, номер заявки CN 199410720419940607), содержащий входной выпрямитель, конденсатор звена постоянного тока и трехфазный двухуровневый инвертор напряжения.

Недостаток устройства заключается в том, что в выходном напряжении инвертора содержатся значительные гармонические искажения. Еще одним из недостатков известной схемы двухуровнего инвертора напряжения является большое значение потерь в силовых полупроводниковых элементах и, как следствие, небольшой КПД по сравнению со схемами трехуровневых инверторов напряжения.

Известно устройство преобразователя частоты (патент US 20160099654, класс Н02М 5/458, 07.04.2016 г., Three-level convertor and method for controlling three-level convertor, Tero Viitanen), содержащий входной выпрямитель напряжения, конденсаторы звена постоянного тока и трехуровневый инвертор напряжения с нулевой точкой. Достоинством такой схемы является то, что такая схема имеет больший КПД, а в выходном синусоидальном напряжении содержится меньше неосновных гармоник.

Недостатком данного преобразователя частоты является наличие большого числа силовых полупроводниковых ключей, а также то, что при включении двух верхних (двух нижних) транзисторов напряжения на двух нижних (верхних) транзисторах может распределяться не равномерно, что требует установки дополнительных цепей принудительного распределения напряжения.

Известен многоуровневый преобразователь частоты (патент US 2015288284, класс Н02М 3/158, Н02М 5/42, 08.10.2015 г. Multi-level power converter), содержащий многоуровневый инвертор напряжения. Достоинством такой схемы является формирование высокого качества напряжения на выходе инвертора, максимально приближенного по форме к синусоидальному.

Недостатком известной схемы является наличие большого числа силовых полупроводниковых ключей транзисторов и диодов и, как следствие, сложная не только силовая часть преобразователя частоты, но и сложная система управления.

Наиболее близкой по технической сущности является схема преобразователя частоты с инвертором напряжения (патент CN 104092400 А, класс Н02М 7/5395, 08.10.2014), содержащая трехуровневый инвертор напряжения, построенный по Т-образной схеме. Достоинством такой схемы является то, что данная схема имеет меньшее количество полупроводниковых элементов, а следовательно, меньшее значение статических потерь, и, следовательно, менее сложная схема управления. Большим достоинством известной схемы является то, что в каждый момент времени определен потенциал на каждом из полупроводниковых элементов и нет необходимости в установке дополнительных цепей принудительного распределения напряжения. Известная схема помимо отмеченных достоинств является более простой и надежной по сравнению со схемой трехуровневого инвертора напряжения с нулевой точкой при том, что качество формируемого выходного напряжения находится на том же уровне.

Недостатком прототипа является то, что для полноценного функционирования преобразователя частоты необходима установка двух дополнительных тормозных прерывателей для осуществления сброса на тормозные резисторы энергии торможения. К недостаткам известного устройства также относится необходимость увеличения числа быстродействующих выходных каналов системы управления, а также увеличение количества драйверов силовых ключей преобразователя частоты.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение функциональности преобразователя частоты и реализация торможения электропривода на тех же инверторных ключах. Решение поставленной задачи позволит сэкономить на количестве силовых полупроводниковых элементов и на элементах системы управления. Предложенный преобразователь частоты позволяет повысить надежность, эффективность и улучшить габаритные и эксплуатационные характеристики.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в преобразователь частоты, содержащий систему управления, два выпрямителя напряжения, соединенных последовательно и получающих питание от гальванически не связанных источников переменного напряжения, двух конденсаторов, подключенных параллельно каждому из выпрямителей и трехуровнего инвертора напряжения, содержащего плечи инвертора, количество которых равно числу выходных фаз, каждое из плеч инвертора содержит четыре транзистора с антипараллельно подключенными диодами, причем коллектор первого транзистора соединен с плюсовой шиной выпрямителей, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с минусовой шиной выпрямителей, к общей точке соединений первого и второго транзисторов подключен выход преобразователя частоты и коллектор третьего транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером четвертого транзистора, коллектор которого соединен с нулевой шиной выпрямителей, предусмотрены следующие отличия: данная схема содержит контактор, содержащий катушку и два перекидных контакта, два резистора и два диода, а схема соединения четырех транзисторов первого и второго плеча трехуровнего инвертора напряжения отличается от описанной, причем катушка контактора подключена к системе управления, эмиттер четвертого транзистора первого плеча инвертора подключен к общему выводу перекидного контакта, нормально закрытый контакт которого соединен с первым выводом первого резистора и катодом первого диода, анод которого соединен со вторым выводом первого резистора и минусовой шиной выпрямителей, а нормально открытый контакт соединен с эмиттером третьего транзистора, эмиттер четвертого транзистора второго плеча инвертора подключен к нулевой шине выпрямителей, а коллектор соединен с общим выводом второго перекидного контакта, нормально закрытый контакт которого соединен с первым выводом второго резистора и анодом второго диода катод, которого соединен со вторым выводом второго резистора и плюсовой шиной выпрямителей, нормально открытый контакт соединен с коллектором третьего транзистора, эмиттер которого соединен с общей точкой соединения первого и второго транзистора второго плеча инвертора и вторым выходом преобразователя частоты.

Кроме того, преобразователь частоты содержит контактор с катушкой и нормально-разомкнутыми контактами, число которых равно числу выходных фаз преобразователя частоты, причем катушка контактора подключена к системе управления, а первый нормально-разомкнутый контакт подключен между коллектором третьего транзистора и общей точкой соединения первого, второго транзисторов с выходом преобразователя частоты первого плеча, второй нормально-разомкнутый контакт подключен между эмиттером третьего транзистора и общей точкой соединения первого, второго транзисторов с выходом преобразователя частоты второго плеча, третий и последующий нормально-разомкнутые контакты подключены между коллектором третьего транзистора и общей точкой соединения первого, второго транзисторов с выходом преобразователя частоты третьего и последующих плеч соответственно.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, два выпрямителя напряжения 2, 3, соединенных последовательно и получающих питание от гальванически не связанных источников переменного напряжения 4, 5, двух конденсаторов 6, 7, подключенных параллельно каждому из выпрямителей 2, 3, и трехуровнего инвертора напряжения 8. Трехуровневый инвертор напряжения 8 содержит плечи инвертора 9-1÷9-n, количество которых равно числу выходных фаз L1÷Ln. Каждое из плеч инвертора 9-1÷9-n содержит четыре транзистора 10, 11, 12, 13 с антипараллельно подключенными диодами, причем коллектор первого транзистора 10 соединен с плюсовой шиной 14 выпрямителей 2, 3, эмиттер первого транзистора 10 соединен с коллектором второго транзистора 11, эмиттер которого соединен с минусовой шиной 15 выпрямителей 2, 3. К общей точке соединений первого 10 и второго 11 транзисторов подключен выход преобразователя частоты L1 (L2÷Ln) и коллектор третьего транзистора 12, эмиттер которого соединен с эмиттером четвертого транзистора 13, коллектор которого соединен с нулевой шиной 16 выпрямителей 2, 3. Преобразователь частоты содержит контактор, содержащий катушку 17 и два перекидных контакта 18, 19, два резистора 20, 21 и два диода 22, 23. Схема соединения четырех транзисторов 10, 11, 12, 13 первого 9-1 и второго 9-2 плеча трехуровнего инвертора напряжения 8 отличается от описанной. Катушка 17 контактора подключена к системе управления 1. Эмиттер четвертого транзистора 13 первого плеча инвертора 9-1 подключен к общему выводу перекидного контакта 18, нормально закрытый контакт 18 которого соединен с первым выводом первого резистора 20 и катодом первого диода 22 анод, которого соединен со вторым выводом первого резистора 20 и минусовой шиной 15 выпрямителей 2, 3, а нормально открытый контакт 18 соединен с эмиттером третьего транзистора 12. Эмиттер четвертого транзистора 13 второго плеча инвертора 9-2 подключен к нулевой шине 16 выпрямителей 2, 3, а коллектор соединен с общим выводом второго перекидного контакта 19, нормально закрытый контакт 19 которого соединен с первым выводом второго резистора 21 и анодом второго диода 23, катод которого соединен со вторым выводом второго резистора 21 и плюсовой шиной 14 выпрямителей 2, 3, нормально открытый контакт 19 соединен с коллектором третьего транзистора 12, эмиттер которого соединен с общей точкой соединения первого 10 и второго 11 транзистора второго плеча инвертора 9-2 и вторым выходом преобразователя частоты L2.

Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 2, дополнительно содержит контактор с катушкой 24 и нормально-разомкнутыми контактами 25-1÷25-n, число которых равно числу выходных фаз L1÷Ln преобразователя частоты. Катушка контактора 24 подключена к системе управления 1, а первый нормально-разомкнутый контакт 25-1 подключен между коллектором третьего транзистора 12 и общей точкой соединения первого 10, второго 11 транзисторов с выходом L1 преобразователя частоты первого плеча 9-1, второй нормально-разомкнутый контакт 25-2 подключен между эмиттером третьего транзистора 12 и общей точкой соединения первого 10, второго 12 транзисторов с выходом L2 преобразователя частоты второго плеча 9-2, третий 25-3 и последующий 25-4÷25-n нормально-разомкнутые контакты подключены между коллекторами третьего 12 транзистора и общей точкой соединения первого 10, второго 11 транзисторов с выходами L3÷Ln преобразователя частоты третьего 9-3 и последующих плеч 9-4÷9-n соответственно.

Работа преобразователя частоты происходит следующим образом. При подключении преобразователя частоты (Фиг. 1) к источникам переменного напряжения 4, 5 в звене постоянного тока формируются два уровня постоянного напряжения на двух конденсаторах 6, 7, подключенных параллельно каждому из выпрямителей 2, 3. В инверторном режиме работы инвертора напряжения 8 система управления 1 подает напряжение на катушку 17 контактора, который переключит свои перекидные контакты 18, 19 в противоположное положение. При этом плечи инвертора 9-1÷9-n имеют одинаковую структуру, аналогичную структуре трехуровнего инвертора напряжения построенного по Т-образной схеме. Отличие состоит лишь между плечами инвертора 9-2 и 9-1, 9-3÷9-n в них у транзисторов 12 и 13 эмиттеры и коллекторы поменяны местами. Транзисторы 10, 11, 12, 13 плечей инвертора 9-1÷9-n работают в режиме трехуровневой синусоидальной ШИМ (широтно-импульсной модуляции).

В случае перехода электропривода в тормозной режим, когда энергия от нагрузки через инвертор напряжения 8, работающий в режиме выпрямителя, идет в звено постоянного тока, подзаряжая конденсаторы 6, 7, система управления 1 переводит транзисторы 10, 11 каждого из плеч инвертора 9-1÷9-n в режим управления двухуровневой синусоидальной ШИМ. При этом система управления 1 отключит питание катушки 17 контактора, который разомкнет свои контакты 18, 19, образуя тормозные (чопперные) цепи параллельно каждому из конденсаторов 6 и 7. Образуются схемы гашения энергии, переданной от нагрузки в звено постоянного тока по цепям: минусовая шина 15, резистор 20 с диодом 22, транзистор 13 первого плеча инвертора 9-1 и нулевая шина 16; плюсовая шина 14, резистор 21 с диодом 23, транзистор 13 второго плеча инвертора 9-2 и нулевая шина 16. Транзисторы 13 первого плеча инвертора 9-1 и 13 второго плеча инвертора 9-2 работают в режимах ШИМ со скважностью, обеспечивающей разряд конденсаторов 6, 7 до необходимого уровня напряжения. Диоды 22 и 23 осуществляют защиту транзисторов 13 первого 9-1 и второго 9-2 плечей инвертора 8 соответственно от коммутационных перенапряжений, вызванных наличием индуктивностей в резисторах 20 и 21.

Работа преобразователя частоты, изображенного на Фиг. 2, происходит следующим образом. В штатном режиме система управления 1 включает катушки 17 и 24 контакторов, которые, замкнув свои контакты 18, 19 и 25-1÷25-n, соберут схему инвертора напряжения 8 по схеме трехуровнего инвертора напряжения, каждое из плеч инвертора 9-1÷9-n имеет одинаковую структуру, аналогичную структуре трехуровнего инвертора напряжения, построенного по Т-образной схеме. Отличие между плечом инвертора 9-2 и плечами инвертора 9-1, 9-3÷9-n состоит лишь в том, что в них у транзисторов 12 и 13 эмиттеры и коллекторы поменяны местами.

В случае необходимости торможения электропривода либо когда энергия идет от нагрузки в звено постоянного тока, система управления 1 отключит питание катушки 17 и алгоритм работы преобразователя частоты будет аналогичен алгоритму работы преобразователя частоты, изображенному на Фиг. 1 и описанному выше. При этом инвертор напряжения 8 будет работать в режиме двухуровневой синусоидальной ШИМ. В случае выхода из строя по каким либо причинам одного либо нескольких транзисторов 12, 13 любого, либо нескольких, либо всех плеч инвертора 9-1÷9-n нулевой точки система управления 1 отключит катушку 24 контактора, которая разомкнет свои контакты 25-1÷25-n, которые переключат инвертор напряжения 8 в схему двухуровнего инвертора напряжения с задействованными транзисторами 10 и 11 каждого из плеч инвертора 9-1÷9-n. При этом транзисторы 12, 13 всех плеч инвертора 9-1÷9-n будут исключены из работы и никак не будут сказываться на работе преобразователя частоты.

Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты позволяет улучшить функциональные возможности, повысить надежность работы, снизить вес, габариты и стоимость преобразователя частоты.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии. Технический результат - улучшение функциональных возможностей изделия и повышение надежности его работы. Кроме того, преобразователь частоты обладает достаточной универсальностью, позволяющей осуществлять работу инвертора напряжения в режимах двухуровнего инвертора напряжения или в режиме трехуровнего инвертора напряжения, а также позволяющей функционально совместить на одних и тех же полупроводниковых ключах режимы инвертора напряжения и тормозного прерывателя при торможении электропривода. Достоинством преобразователя частоты является высокая степень надежности, позволяющая при выходе из строя силовых полупроводниковых ключей нулевой точки полноценно работать преобразователю частоты в режиме работы двухуровнего инвертора напряжения. Элементы и связи между ними в преобразователе частоты таковы, что позволяют использовать одни и те же транзисторы в режиме инвертирования и в режиме торможения, а также при необходимости осуществлять коммутацию элементов силовой части плеча инвертора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь частоты, содержащий систему управления, два выпрямителя напряжения, соединенные последовательно и получающие питание от гальванически не связанных источников переменного напряжения, двух конденсаторов, подключенных параллельно каждому из выпрямителей, и трехуровнего инвертора напряжения, содержащего плечи инвертора, количество которых равно числу выходных фаз преобразователя частоты, каждое из плеч инвертора содержит четыре транзистора с антипараллельно подключенными диодами, транзисторы первого плеча инвертора соединены так, что коллектор первого транзистора соединен с плюсовой шиной выпрямителей, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с минусовой шиной выпрямителей, к общей точке соединений первого и второго транзисторов подключен выход преобразователя частоты и коллектор третьего транзистора, коллектор четвертого транзистора соединен с нулевой шиной выпрямителей, транзисторы второго плеча инвертора соединены так, что коллектор первого транзистора соединен с плюсовой шиной выпрямителей, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с минусовой шиной выпрямителей, к общей точке соединений первого и второго транзисторов подключен выход преобразователя частоты и эмиттер третьего транзистора, эмиттер четвертого транзистора соединен с нулевой шиной выпрямителей, транзисторы третьего и последующего плеча инвертора преобразователя частоты соединены так, что коллектор первого транзистора соединен с плюсовой шиной выпрямителей, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с минусовой шиной выпрямителей, к общей точке соединений первого и второго транзисторов подключен выход преобразователя частоты и коллектор третьего транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером четвертого транзистора, коллектор которого соединен с нулевой шиной выпрямителей, отличающийся тем, что содержит контактор, содержащий катушку и два перекидных контакта, два резистора и два диода, причем катушка контактора подключена к системе управления, эмиттер четвертого транзистора первого плеча инвертора подключен к общему выводу первого перекидного контакта, нормально закрытый контакт которого соединен с первым выводом первого резистора и катодом первого диода, анод которого соединен со вторым выводом первого резистора и минусовой шиной выпрямителей, а нормально открытый контакт соединен с эмиттером третьего транзистора, коллектор четвертого транзистора второго плеча инвертора соединен с общим выводом второго перекидного контакта, нормально закрытый контакт которого соединен с первым выводом второго резистора и анодом второго диода, катод которого соединен со вторым выводом второго резистора и плюсовой шиной выпрямителей, нормально открытый контакт соединен с коллектором третьего транзистора.

2. Преобразователь частоты по п. 1, отличающийся тем, что содержит дополнительный второй контактор с катушкой и нормально-разомкнутыми контактами, число нормально-разомкнутых контактов второго контактора равно числу выходных фаз преобразователя частоты, причем катушка второго контактора подключена к системе управления, а первый нормально-разомкнутый контакт подключен между коллектором третьего транзистора и общей точкой соединения первого, второго транзисторов с выходом преобразователя частоты первого плеча, второй нормально-разомкнутый контакт подключен между эмиттером третьего транзистора и общей точкой соединения первого, второго транзисторов с выходом преобразователя частоты второго плеча, третий и последующий нормально-разомкнутые контакты подключены между коллектором третьего транзистора и общей точкой соединения первого, второго транзисторов с выходом преобразователя частоты третьего и последующих плеч соответственно.