ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2019 года по МПК H02M5/458 

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

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. Отрицательный вывод выпрямителя подключен к отрицательным полюсам 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. Недостатком устройства является необходимость 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.

Известно устройство и метод предварительного заряда накопительного конденсатора преобразователя частоты (патент US 20080310202, класс Н02М 5/458, дата приоритета 30.06.2004 г., дата публикации 28.06.2005 г.или патент US 20080239432, класс Н02Н 7/125, дата приоритета 26.09.2008 г., дата публикации 01.04.2010 г.), содержащее выпрямитель, инвертор, накопительный конденсатор и зарядный резистор, установленный после выпрямителя и ограничивающий ток заряда конденсатора, а также контакт контактора, шунтирующий зарядный резистор после окончания процесса заряда. Недостатком данного преобразователя частоты является наличие зарядной цепочки состоящей из дополнительного мощного зарядного резистора и силового контакта контактора, установленных на стороне постоянного тока преобразователя частоты.

Известно устройство преобразователя частоты (патент RU 2491702, класс Н02М 5/00, дата приоритета 22.08.2011 г., дата публикации 27.02.2013 г.авторы: Гельвер Ф.А., Махонин С.В.) содержащий входной трехполюсный силовой контактор, выпрямитель напряжения, тормозную цепочку, накопительный конденсатор, инвертор напряжения и слаботочное реле. Суть изобретения заключается в использовании тормозного резистора в процессе заряда посредством слаботочного реле напряжения, осуществляющего коммутацию тормозного резистора либо на процесс заряда, либо на процесс торможения. Недостаток устройства заключается в необходимости использования входного силового контактора и дополнительного реле, осуществляющего коммутацию тормозного резистора. В результате увеличиваются масса, габариты и стоимость устройства, а также существенно снижается надежность.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь частоты (патент RU 2591054 С1, класс Н02М 5/458, дата приоритета 16.12.2014 г., дата публикации 10.07.2016 г., заявка 2014151102/07, 16.12.2014, автор Гельвер Ф.А.), содержащий систему управления, выпрямитель напряжения, тормозную цепочку, накопительный конденсатор, инвертор напряжения и контактор. Причем нормально открытый контакт контактора установлен в минусовую шину между выпрямителем и инвертором напряжения в разрыв узла соединяющего резистор и обратный диод тормозной цепочки. Достоинством предложения является использование резистора тормозной цепочки в качестве зарядного ограничивающего ток заряда накопительного конденсатора. К достоинствам известной схемы также можно отнести высокую степень надежности и простоту схемной реализации. К недостаткам известного устройства относится то, что процесс заряда накопительного конденсатора начинается сразу после подачи напряжения на выводы переменного тока выпрямителя напряжения и этот процесс никак не управляется системой управления преобразователя частоты. Таким образом, инвертор напряжения будет находиться под напряжением сразу же после подачи напряжения на выводы переменного тока выпрямителя напряжения. Еще одним из недостатков предложенного устройства преобразователя частоты является, и тот момент, что в случае короткого замыкания в инверторе напряжения через резистор тормозной цепи будет протекать ток короткого замыкания ограниченный номиналом резистора и этот процесс будет продолжаться до того времени пока не будет отключено питание преобразователя частоты.

Предлагаемый преобразователь частоты позволяет улучшить функциональность, повысить надежность, эффективность и улучшить эксплуатационные характеристики, а также что особенно важно добавить в схему преобразователя частоты возможность включения заряда накопительного конденсатора по команде системы управления. Предлагаемый преобразователь частоты отличает модульность, универсальность и унификация используемой элементной базы. Предлагаемый преобразователь частоты позволяет довольно просто осуществить диагностику наличия короткого замыкания и отключить процесс заряда накопительного конденсатора в случае возникновения аварийной ситуации.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в схеме преобразователя частоты, содержащей систему управления, контактор, состоящий из катушки управления и одного нормально открытого контакта, трехфазный выпрямительный мост, инвертор напряжения, накопительный конденсатор и тормозную цепочку, выводы переменного тока выпрямительного моста подключены к питающей сети, катушка управления подключена к системе управления, трехфазный выпрямительный мост своим положительным полюсом соединен с положительными полюсами инвертора напряжения, накопительного конденсатора и тормозной цепочки, состоящей из двух диодов, транзистора и тормозного резистора, причем коллектор транзистора и катод первого диода подключены к положительному полюсу накопительного конденсатора, а эмиттер транзистора и анод первого диода соединены с катодом второго диода и первым выводом тормозного резистора, отрицательный полюс инвертора напряжения соединен с отрицательным полюсом накопительного конденсатора, отрицательный полюс выпрямительного моста соединен с первым выводом нормально открытого контакта контактора, второй вывод нормально открытого контакта контактора подключен к отрицательным полюсам инвертора напряжения и накопительного конденсатора, предусмотрены следующие отличия: преобразователь частоты содержит дополнительно транзистор тормозной цепочки, причем коллектор дополнительного транзистора соединен с катодом второго диода, а эмиттер дополнительного транзистора с анодом второго диода и с отрицательным полюсом выпрямительного моста, а второй вывод резистора соединен с отрицательным полюсом инвертора напряжения.

Кроме того, преобразователь частоты может содержать дополнительный контакт контактора, а катушка управления контактора подключена одним выводом к положительному полюсу накопительного конденсатора, а другим выводом к отрицательному полюсу накопительного конденсатора, а дополнительный контакт контактора подключен к системе управления.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1 представлена схема преобразователя частоты, на Фиг. 2 - схема преобразователя частоты содержащего дополнительный контакт контактора и иное подключение катушки контактора, на Фиг. 3 - вариант схемы преобразователя частоты с включением нормально открытого контакта контактора в положительную шину звена постоянного тока преобразователя частоты.

Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, контактор, состоящий из катушки управления 2 и одного нормально открытого контакта 3, трехфазный выпрямительный мост 4, инвертор напряжения 5, накопительный конденсатор 6 и тормозную цепочку 7. Выводы переменного тока выпрямительного моста 4 подключены к питающей сети, катушка управления 2 подключена к системе управления 1, трехфазный выпрямительный мост 4 своим положительным полюсом соединен с положительными полюсами инвертора напряжения 5, накопительного конденсатора 6 и тормозной цепочки 7. Тормозная цепочка 7 состоит из двух диодов 8 и 9, транзистора 10 и тормозного резистора 11. Коллектор транзистора 10 и катод первого диода 8 подключены к положительному полюсу накопительного конденсатора 6, а эмиттер транзистора 10 и анод первого диода 8 соединены с катодом второго диода 9 и первым выводом тормозного резистора 11. Отрицательный полюс инвертора напряжения 5 соединен с отрицательным полюсом накопительного конденсатора 6. Отрицательный полюс выпрямительного моста 4 соединен с первым выводом нормально открытого контакта 3 контактора, второй вывод нормально открытого контакта 3 контактора подключен к отрицательным полюсам инвертора напряжения 5 и накопительного конденсатора 6. Преобразователь частоты содержит дополнительный транзистор 12 тормозной цепочки 7. Коллектор дополнительного транзистора 12 соединен с катодом второго диода 9, а эмиттер дополнительного транзистора 12 с анодом второго диода 9 и с отрицательным полюсом выпрямительного моста 4. Второй вывод резистора 11 соединен с отрицательным полюсом инвертора напряжения 5.

Преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 2, содержит дополнительный контакт 13 контактора, а катушка управления 2 контактора подключена одним выводом к положительному полюсу накопительного конденсатора 6, а другим выводом к отрицательному полюсу накопительного конденсатора 6. Дополнительный контакт 13 контактора подключен к системе управления 1.

Работа преобразователя частоты происходит следующим образом. При подключении преобразователя частоты (Фиг. 1) к питающей сети на выходе выпрямительного моста 4 формируется выпрямленное напряжение, причем положительный потенциал с положительного полюса выпрямительного моста 4 приложен к положительным полюсам тормозной цепочки 7, инвертора напряжения 5 и положительному выводу накопительного конденсатора 6 а отрицательный потенциал с отрицательного полюса выпрямительного моста 4 приложен к отрицательному полюсу тормозной цепочки 7 и к первому выводу нормально открытого контакта 3. При необходимости заряда накопительного конденсатора и включения преобразователя частоты в работу система управления 1 подает команду на включение дополнительного транзистора 12. При этом следует отметить, что дополнительный транзистор 12 может быть включен постоянно или работать в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При этом начнется заряд накопительного конденсатора 6 по цепи фазы А, В, С, выпрямительный мост 4, положительный полюс выпрямительного моста 4, накопительный конденсатор 6, резистор 11, дополнительный транзистор 12 управляемый системой управления 1 и отрицательный полюс выпрямительного моста 4. Напряжение на конденсаторе 6 будет нарастать по экспоненциальному закону, определяемому номиналом сопротивления резистора 11 и величины емкости накопительного конденсатора 6. При этом ток заряда накопительного конденсатора 6 ограничен сопротивлением резистора 11 либо длительностью открытого состояния дополнительного транзистора 12 в случае его работы в режиме ШИМ. По окончании процесса заряда накопительного конденсатора 6, когда напряжение в звене постоянного тока преобразователя частоты близко к номинальному, происходит отключение дополнительного транзистора 12 и включение катушки 2 и соответственно нормально открытого контакта 3 контактора посредствам системы управления 1. Включение нормально открытого контакта 3 контактора обеспечит сборку штатной схемы преобразователя частоты, и начинается работа инвертора напряжения 5 и целиком всего преобразователя частоты по заданному алгоритму управления. Следует отметить, что в процессе работы преобразователя частоты после произведенного заряда дополнительный транзистор 12 больше не работает, а будет работать только транзистор 10 при необходимости снижения (гашения) напряжения в звене постоянного тока при рекуперации энергии со стороны нагрузки преобразователя частоты.

Такое схемное решение позволяет обеспечить управляемый заряд накопительного конденсатора 6 через резистор 11 и дополнительный транзистор 12, тем самым совместив в резисторе 11 функции элемента заряда накопительного конденсатора 6 и элемента тормозной цепи 7.

С целью автоматизации процесса заряда накопительного конденсатора 6 катушка 2 контактора может быть подключена параллельно накопительному конденсатору 6 (Фиг. 2). Такое схемное решение позволяет автоматизировать процесс заряда накопительного конденсатора 6 и осуществить силовое подключение выпрямительного моста 4 к инвертору напряжения 5 посредствам нормально открытого контакта 3 контактора без использования системы управления 1 сразу же после заряда накопительного конденсатора 6. При этом система управления 1 подает команду на начало процесса заряда накопительного конденсатора 6. Такое включение катушки 2 контактора позволяет исключить случайное включение нормально открытого контакта 3 контактора, при напряжении звена постоянного тока ниже допустимого значения близкого к номинальному напряжению звена постоянного тока тем самым исключается ударный заряд накопительного конденсатора (ударный ток заряда накопительного конденсатора). При этом система управления 1 получает информацию о состоянии контактора по средствам дополнительного контакта 13 контактора подключенного к системе управления 1. Включение катушки 2 контактора в звено постоянного тока позволяет осуществить диагностику наличия короткого замыкания в звене постоянного тока. При коротком замыкании в звене постоянного тока и после подачи сигнала на заряд накопительного конденсатора 6 через резистор 11 течет ток, но заряда накопительного конденсатора 6 не происходит по истечении допустимого времени заряда накопительного конденсатора 6 если в системе управления не замкнется дополнительный контакт 13 контактора система управления 1 отключит дополнительный транзистор 12 и прекратит процесс заряда накопительного конденсатора 6 и выдаст информацию о неисправности преобразователя частоты.

Работа преобразователя частоты происходит следующим образом. При подключении преобразователя частоты (Фиг. 2) к питающей сети на выходе выпрямительного моста 4 формируется выпрямленное напряжение, причем положительный потенциал с положительного полюса выпрямительного моста 4 приложен к положительным полюсам тормозной цепочки 7, инвертора напряжения 5 и положительному выводу накопительного конденсатора 6 а отрицательный потенциал с отрицательного полюса выпрямительного моста 4 приложен к отрицательному полюсу тормозной цепочки 7 и к первому выводу нормально открытого контакта 3. При необходимости заряда накопительного конденсатора 6 и включения преобразователя частоты в работу система управления 1 подает команду на включение дополнительного транзистора 12. При этом следует отметить, что дополнительный транзистор 12 может быть включен постоянно или работать в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Начнется заряд накопительного конденсатора 6 по цепи фазы А, В, С, выпрямительный мост 4, положительный полюс выпрямительного моста 4, накопительный конденсатор 6, резистор 11, дополнительный транзистор 12 управляемый системой управления 1 и отрицательный полюс выпрямительного моста 4. Напряжение на конденсаторе 6 будет нарастать по экспоненциальному закону, определяемому номиналом сопротивления резистора 11 и емкости накопительного конденсатора 6. При этом ток заряда накопительного конденсатора 6 ограничен сопротивлением резистора 11 либо длительностью открытого состояния дополнительного транзистора 12 в случае его работы в режиме ШИМ. При достижении уровня напряжения на катушке 2 близкого к номинальному уровню напряжения в звене постоянного тока и равного напряжению втягивания катушки 2, контактор сработает и замкнет свои нормально открытый контакт 3 в минусовой шине цепи постоянного тока преобразователя частоты и замкнет дополнительный контакт 13 в цепи системы управления 1 соответственно. Замыкание дополнительного контакта 13 контактора выдаст в систему управления 1 информацию о том, что процесс заряда успешно завершен. Включение нормально открытого контакта 3 контактора обеспечит сборку штатной схемы преобразователя частоты, и начинается работа инвертора напряжения 5 и целиком всего преобразователя частоты по заданному алгоритму управления. Следует отметить, что в процессе работы преобразователя частоты после произведенного заряда дополнительный транзистор 12 больше не работает, а будет работать только транзистор 10 при необходимости снижения (гашения) напряжения в звене постоянного тока при рекуперации энергии со стороны нагрузки преобразователя частоты.

Вариант схемной реализации предложенного преобразователя частоты изображен на Фиг. 3. Отличие заключается в ином подключении элементов тормозной цепи с включением нормально открытого контакта 3 контактора в положительную шину звена постоянного тока преобразователя частоты.

Таким образом, дополнительные элементы и новые связи элементов преобразователя частоты позволяют добавить новые функциональные возможности, избавиться от дополнительного зарядного резистора, повысить надежность, эффективность и улучшить эксплуатационные характеристики, а также что особенно важно добавить в схему преобразователя частоты возможность управляемого включения заряда накопительного конденсатора по команде системы управления.

К дополнительным достоинствам предложенных схем можно отнести и такой немаловажный фактор как унификация используемых элементов преобразователя частоты в тормозной цепи можно использовать точно такие же модули, как и в инверторе напряжения особенно это удобно, если данные модули идут полумостами (верхний и нижний ключ).

Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты позволяет улучшить функциональность, повысить надежность, эффективность и улучшить эксплуатационные характеристики, а также что особенно важно добавить в схему преобразователя частоты возможность включения заряда накопительного конденсатора по команде системы управления. Предлагаемый преобразователь частоты отличает модульность, универсальность и унификация используемой элементной базы. Предлагаемый преобразователь частоты позволяет довольно просто осуществить диагностику наличия короткого замыкания и отключить процесс заряда накопительного конденсатора в случае возникновения аварийной ситуации.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям электрической энергии, построенным по схеме двухзвенных электрических преобразователей частоты. Техническим результатом изобретения является повышение надежности, улучшение функциональности преобразователя частоты, повышение эффективности и улучшение эксплуатационных характеристик, а также, что особенно важно, осуществление возможности включения заряда накопительного конденсатора по команде из системы управления. Кроме того, предлагаемое устройство обладает достаточной универсальностью, позволяющей функционально совместить в одном устройстве зарядную цепь накопительного конденсатора и цепь для гашения энергии торможения двухзвенного электрического преобразователя. Кроме того, предлагаемый преобразователь частоты позволяет довольно просто осуществить диагностику наличия короткого замыкания и остановить процесс заряда накопительного конденсатора в случае возникновения аварийной ситуации. Поставленная цель достигается тем, что в схему преобразователя частоты добавлены транзистор и новые связи, позволяющие осуществлять управляемый заряд накопительного конденсатора и использовать резистор в качестве зарядного резистора и в качестве тормозного. Положительный эффект изобретения заключается в том, что при минимальном количестве элементов обеспечивается улучшение функциональных возможностей изделия, повышение надежности работы, появляется модульность, универсальность и унификация используемой элементной базы, а также автоматизируется процесс заряда накопительного конденсатора преобразователя частоты. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Преобразователь частоты, содержащий систему управления, контактор, состоящий из катушки управления и одного нормально открытого контакта, трехфазный выпрямительный мост, инвертор напряжения, накопительный конденсатор и тормозную цепочку, выводы переменного тока выпрямительного моста подключены к питающей сети, катушка управления подключена к системе управления, трехфазный выпрямительный мост своим положительным полюсом соединен с положительными полюсами инвертора напряжения, накопительного конденсатора и тормозной цепочки, состоящей из двух диодов, транзистора и тормозного резистора, причем коллектор транзистора и катод первого диода подключены к положительному полюсу накопительного конденсатора, а эмиттер транзистора и анод первого диода соединены с катодом второго диода и первым выводом тормозного резистора, отрицательный полюс инвертора напряжения соединен с отрицательным полюсом накопительного конденсатора, отрицательный полюс выпрямительного моста соединен с первым выводом нормально открытого контакта контактора, второй вывод нормально открытого контакта контактора подключен к отрицательным полюсам инвертора напряжения и накопительного конденсатора, отличающийся тем, что содержит дополнительно транзистор тормозной цепочки, причем коллектор дополнительного транзистора соединен с катодом второго диода, а эмиттер дополнительного транзистора - с анодом второго диода и с отрицательным полюсом выпрямительного моста, а второй вывод резистора соединен с отрицательным полюсом инвертора напряжения.

2. Преобразователь частоты по п. 1, отличающийся тем, что контактор содержит дополнительный контакт, а катушка управления контактора подключена одним выводом к положительному полюсу накопительного конденсатора, а другим выводом к отрицательному полюсу накопительного конденсатора, а дополнительный контакт контактора подключен к системе управления.