Преобразователь частоты Российский патент 2023 года по МПК H02J9/06 

Назначение

Изобретение относится к области электротехники и более конкретно к преобразователям частоты с двойным преобразованием энергии для бесперебойного питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока.

Уровень техники

В настоящее время известно использование различных систем с двойным преобразованием энергии для бесперебойного питания ответственных потребителей переменного тока:

• на железнодорожном транспорте в виде генерирования электрической энергии подвагонным генератором подвижного состава с приводом вращения его ротора от оси колесной пары подвижного вагона для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания - накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей (см. патент, РФ, №2334348);

• в системах электроснабжения, когда генерирование электрической энергии осуществляется генератором, ротор которого приводится в движение от энергии ветра, для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания - накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии при ограниченной скорости ветра или его отсутствии (см. патенты, РФ, №2346182, №40769);

• в системах электроснабжения, когда солнечная энергия, преобразуется в электрическую энергию фотоэлектрическими преобразователями (солнечными батареями) для обеспечения питания потребителей электроэнергии и заряда вторичных источников питания - накопителей электрической энергии аккумуляторных батарей (АБ), предназначенных для питания потребителей электроэнергии при ограниченной или полностью отсутствии солнечной энергии (см. патент, РФ, №2689401);

• в других системах, использующих, например, парогенераторы, гидрогенераторы и т.д., то есть там, где генерирование электрической энергии осуществляется генератором, ротор которого приводится в движение от формирователя кинетической энергии вращения.

Таким образом, преобразователь частоты в приведенных выше системах должен обеспечиваться электроэнергией как минимум от двух независимых источников - основного и резервного, при этом, в качестве резервного источника является аккумуляторная батарея.

Кроме того, выдвигаются повышенные требования к преобразователям частоты по гальванической развязке для питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока.

В преобразователях частоты трехфазные источники переменного напряжения используют в основном для питания потребителей большой мощности (см., например, патент, РФ, №2426215), при этом, в целях уменьшения массы и габаритов используют аккумуляторную батарею с более низким напряжением по отношению к напряжению источника переменного напряжения.

На сегодня наиболее широкое применение получили аккумуляторные батареи: никель-водородные, никель-кадмиевые, никель-металлогидридные, литий-ионные или литий-полимерные, отличающиеся друг от друга типом используемого электролита (см, например, патент, РФ, №2689887), а также кислотные и щелочные (см, например, патент, РФ, №2729913).

Преобразователи частоты с использованием импульсных преобразователей, в которых основными компонентами являются дроссели, конденсаторы, ключи с малым сопротивлением в замкнутом состоянии и трансформаторы, обладают малыми потерями электроэнергии и коэффициент полезного действия в данных устройствах составляет не менее 0,8 и может достигать 0,9 и более (см. Импульсные регуляторы напряжения. На сайте: https://studfile.net/preview/6445693/).

В современных импульсных преобразователях большой мощности широкое применение нашли полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), а также высоковольтные быстродействующие силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), работающие в ключевом режиме и управляемые широтно-импульсным модулированным (ШИМ) сигналом через драйвер от микроконтроллера (см., например, "Транзисторы IGBT" на сайте: https://drives.ru/stati/modul-igbt/; патенты, РФ: №2513547, №2481691).

Известен статический преобразователь (см. патент, №2481691), обеспечивающий бесперебойное питание ответственных потребителей трехфазного переменного тока, питающий от основной сети переменного тока и резервной сети постоянного тока.

Недостатком данного статического преобразователя является то, что он не обеспечивает стабильное (без провалов) питание потребителей при кратковременном пропадании питания от аккумуляторной батареи, а также при кратковременном пропадании или снижении напряжения входного переменного тока при питании от источника переменного напряжения.

Известен статический преобразователь (см. патент, РФ, №2540966), питающийся от основной сети переменного тока и резервной сети постоянного тока, имеющих гальваническую развязку, выполненную на двух контакторах, а также группу гальванической развязки, состоящую из высокочастотного инвертора, трансформатора и дополнительного выпрямителя, при этом, группа гальванической развязки подключена непосредственно к источнику постоянного тока, а по выходу - к выходным клеммам выпрямителя основной сети переменного тока и включается только на короткое время, определяемое временем переключения силовых контакторов питающих цепей.

Существенные неточности (недостатки) в электрической схеме, представленной на чертеже данного статического преобразователя:

• выходом статического преобразователя для подключения потребителей переменного тока является выход основного выпрямителя с постоянным напряжением, подключенным к входу основного инвертора (потребители переменного тока следует подключать к выходу основного инвертора, т.к. по определению инвертор должен иметь вход с постоянным напряжением, а выход - с переменным);

• нерегулируемый выпрямитель с выходным постоянным напряжением напрямую подключен к выходу основного выпрямителя с постоянным напряжением, т.е. два источника постоянного напряжения соединяются параллельно, что недопустимо в связи с тем, что происходит выравнивание напряжений данных двух источников с формированием тока, ограничиваемого лишь внутренним сопротивлением источника напряжения.

Существенные недостатки функционирования данного статического преобразователя:

• на вход основного выпрямитель' подается постоянное напряжение непосредственно клемм аккумуляторной батареи, которое изменяется в широких пределах (от 320 В до 175 В), в том числе, изменяемого относительно входного переменного 380 В. Это снижает эффективность работы основного преобразователя, так как, если для формирования выходного напряжения на фильтрующем конденсаторе при входном переменном напряжении основного выпрямителя используются в нем выпрямительные диоды, практически не влияющие на амплитуду выходного напряжения, то при постоянном напряжении на входе основного преобразователя используется бустерная схема для увеличения входного напряжения на выходе (следует отметить существенную неточность в прототипе, в котором указывается как чопперная схема, поскольку у чопперов выходное напряжение на выходе всегда ниже входного) путем управления IGBT-транзисторов ШИМ сигналом от контроллера (см.. "Импульсные и бестрансформаторные сетевые источники питания." На сайте: https://ozlib.com/1038388/).

При широком диапазоне изменения входного постоянного напряжения снижается эффективность работы основного преобразователя из-за повышения пульсаций и ухудшения стабилизации выходного напряжения, а также отрицательно сказывается на массогабаритные показатели при выборе фазных дросселей и фильтрующего конденсатора;

• не обеспечивает достаточную стабилизацию выходного напряжения при сбоях в работе источника переменного напряжения, например, при наличии определенных провалов выходных напряжений;

• подача постоянного напряжения с выхода дополнительного выпрямителя непосредственно на выход основного выпрямителя отрицательно сказывается на процесс формирования выходного сигнала основного выпрямителя.

Данные недостатки приводят к низкой эффективности работы статического преобразователя при ограниченных его функциональных возможностях.

Известен преобразователь частоты (см. Статический преобразователь. Патент, РФ, №2780724), который является наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятый авторами за прототип.

Данный прототип включает в себя источник питания трехфазного переменного напряжения и аккумуляторную батарею, первый и второй контакторы, фазные дроссели, разделительные диоды, основной выпрямитель, выход которого соединен параллельно с фильтрующим конденсатором, а также последовательно соединенные с аккумуляторной батареей дополнительный инвертор, трансформатор и дополнительный выпрямитель, при этом, выходы источника питания трехфазного переменного напряжения через контакты первого контактора соединены с катодами разделительных диодов и через фазные дроссели с входом основного выпрямителя, выполненного по мостовой схеме в виде транзисторных ключей с параллельно и последовательно соединенными диодами, обеспечивающим выпрямление переменного и преобразование со стабилизацией постоянного напряжений, а также датчик напряжения, преобразователь постоянного напряжения, выходной диод, диод опорного напряжения и система управления, при этом, положительный вывод дополнительного выпрямителя через контакты второго контактора соединен с анодами разделительных диодов и одним входом преобразователя постоянного напряжения, второй вход которого соединен с отрицательным выводом дополнительного выпрямителя, отрицательной шиной основного инвертора и отрицательной шиной основного выпрямителя, выход которого через выходной диод прямого включения соединен с выходом преобразователя постоянного напряжения через диод опорного напряжения обратного включения и с входом основного инвертора, выход которого соединен с потребителями переменного тока; система управления по сигналу с источника переменного напряжения обеспечивает управление работой контакторов, основного выпрямителя, основного и дополнительного инверторов, преобразователя постоянного напряжения.

Недостатки прототипа:

• при использовании в качестве потребителя переменного напряжения электрического двигателя (на практике часто используется) отсутствует защита преобразователя частоты от высоких напряжений при управляемом процессе замедления вращения ротора (в режиме торможения) данного электрического двигателя, в результате чего преобразователь частоты может выводиться и строя, что приводит к снижению надежности преобразователя частоты.

Это объясняется тем, что в режиме торможения электрический двигатель может переходить в генераторный режим, при этом, генерируемая энергия возвращается в автономный трехфазный инвертор и выпрямляется обратными диодами IGBT-транзисторов в результате чего увеличивается постоянное напряжение на шинах питания;

• не обеспечивается рекуперация энергии для заряда аккумуляторной батареи.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности преобразователя частоты при обеспечении высокой эффективности его работы.

Раскрытие изобретения

Сущность предлагаемого преобразователя частоты заключается в повышении надежности при достижении высокой эффективности его работы путем обеспечения защиты входных цепей формирования питания трехфазного инвертора через обратные включения диодов и "поглощения" электрической энергии, возникающей при использовании в качестве потребителя переменного напряжения электрического двигателя, который в результате торможения электропривода с высокоинерционной нагрузкой переходит в генераторный режим, формируя на шинах питания трехфазного инвертора высокие напряжения. Контроль напряжения на шинах питания трехфазного инвертора осуществляется с помощью датчика напряжения и при достижении максимально допустимого постоянного напряжения обеспечивается "поглощение" электрической энергии путем конвертирования ее в тепловую энергию, выделяемую на резисторе. Тем самым поддерживается постоянное напряжение на шинах питания трехфазного инвертора в заданных допустимых пределах.

Кроме того, в режиме питания преобразователя частоты от аккумуляторной батареи, при возникающих высоких напряжениях на шинах питания трехфазного инвертора из-за торможения электропривода, осуществляется "поглощение" избыточной электрической энергии путем рекуперации энергии для заряда аккумуляторной батареи, в результате чего, поддерживается постоянное напряжение на шинах питания трехфазного инвертора в заданных допустимых пределах.

Преобразователь частоты включает в себя источник питания трехфазного переменного напряжения, аккумуляторную батарею, первый и второй контакторы, фазные дроссели, разделительные диоды, выпрямитель-преобразователь, выполненный по мостовой схеме в виде транзисторных ключей с параллельно и последовательно соединенными диодами, фильтрующий конденсатор, преобразователь постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные однофазный инвертор, трансформатор и выпрямитель с фильтром на выходе, первый датчик напряжения, опорный преобразователь постоянного напряжения, выходной диод, диод опорного напряжения, систему управления, трехфазный инвертор и потребители переменного тока.

Введение в устройство конденсатора и второго датчика напряжения, параллельно соединенных с шинами питания трехфазного инвертора, первого и второго транзисторных ключей, шунтирующего диода, резистора, зарядного устройства, соединенного с аккумуляторной батареей, а также соединение системы управления с выходом второго датчика напряжения и по его сигналам формирование ШИМ сигналов для управления работой первого и второго транзисторов, позволяет повысить надежность преобразователя частоты при обеспечении высокой эффективности его работы.

Введением конденсатора обеспечивается "сглаживание" перепадов постоянного напряжения на шинах питания трехфазного инвертора.

Введением второго датчика напряжения, первого транзистора с шунтирующим его диодом и резистора обеспечивается "поглощение" электрической энергии, возникающей при использовании в качестве потребителя переменного напряжения электрического двигателя, который в результате торможения электропривода с высокоинерционной нагрузкой переходит в генераторный режим, формируя на шинах питания трехфазного инвертора высокие напряжения. Контроль напряжения на шинах питания трехфазного инвертора осуществляется с помощью датчика напряжения и при достижении максимально допустимого постоянного напряжения обеспечивается "поглощение" электрической энергии путем конвертирования ее в тепловую энергию, выделяемую на резисторе. Тем самым поддерживается постоянное напряжение на шинах питания трехфазного инвертора в заданных допустимых пределах.

Введением второго транзистора и зарядного устройства в режиме питания преобразователя частоты от аккумуляторной батареи, при возникающих высоких напряжениях на шинах питания трехфазного инвертора из-за торможения электропривода, обеспечивается "поглощение" избыточной электрической энергии путем рекуперации энергии для заряда аккумуляторной батареи, в результате чего, поддерживается постоянное напряжение на шинах питания трехфазного инвертора в заданных допустимых пределах.

Графические иллюстрации

На фигуре 1 приведена структурная схема преобразователя частоты, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями:

1 - ИПН (источник переменного напряжения);

2 - первый контактор;

3 - фазные дроссели (три дросселя);

4 - выпрямитель-преобразователь;

4-1, 4-2, 4-3 - транзисторные ключи выпрямителя-преобразователя;

4-4, 4-5, 4-6, 4-7, 4-8, 4-9 - диоды выпрямителя-преобразователя;

5 - резистор;

6 - первый транзисторный ключ;

7 - шунтирующий диод;

8 - фильтрующий конденсатор;

9 - И₁ (трехфазный инвертор);

9-1, 9-2, 9-3, 9-4, 9-5, 9-6 - диоды инвертора;

9-7, 9-8, 9-9, 9-10, 9-11, 9-12 - транзисторы инвертора;

10 - ППТ (потребители переменного тока);

11 - ДН₁ (первый датчик напряжения);

12 - разделительные диоды;

13 - АБ (аккумуляторная батарея);

14 - И₂ (однофазный инвертор);

15 - трансформатор;

16 - выпрямитель;

17 - второй контактор;

18 - опорный преобразователь постоянного напряжения;

19 - диод опорного напряжения;

20 - СУ (система управления);

21 - выходной диод;

22 - ДН₂ (второй датчик напряжения);

23 - второй транзисторный ключ;

24 - ЗУ (зарядное устройство);

25 - преобразователь постоянного напряжения;

26 - конденсатор.

Осуществление изобретения

Преобразователь частоты включает в себя источник переменного напряжения 1 и аккумуляторную батарею 13, первый 2 и второй 17 контакторы, фазные дроссели 3, разделительные диоды 12, выпрямитель-преобразователь 4, выход которого соединен параллельно с фильтрующим конденсатором 8, а также последовательно соединенный с аккумуляторной батареей 13 преобразователь постоянного напряжения 25, содержащий последовательно соединенные однофазный инвертор 14, трансформатор 15 и выпрямитель с фильтром на выходе 16, при этом, выходы-источника переменного напряжения 1 через контакты первого контактора 2 соединены с катодами разделительных диодов 12 и через фазные дроссели 3 с входом выпрямителя-преобразователя 4, выполненного по мостовой схеме в виде транзисторных ключей 4-1, 4-2, 4-3 с параллельно 4-7, 4-8, 4-9 и последовательно 4-4, 4-5, 4-6 соединенными диодами, обеспечивающим выпрямление переменного и преобразование со стабилизацией постоянного напряжений; кроме того, включает в себя первый датчик напряжения 11, опорный преобразователь постоянного напряжения 18, выходной диод 21, диод опорного напряжения 19 и систему управления 20, при этом, положительный вывод преобразователя постоянного напряжения 25 через контакты второго контактора 17 соединен с анодами разделительных диодов 12 и одним входом опорного преобразователя постоянного напряжения 18, выход выпрямителя-преобразователя 4 через выходной диод 21 прямого включения соединен с выходом опорного преобразователя постоянного напряжения 18 через диод опорного напряжения 19 обратного включения и с входом трехфазного инвертора 9, выход которого соединен с потребителями переменного тока 10; вход системы управления 20 через первый датчик напряжения 11 соединен с контрольным выводом источника переменного напряжения 1, а выходы с цепями управления первого 2 и второго 17 контакторов, управляющими входами выпрямителя-преобразователя 4, трехфазного инвертора 9 и однофазного инвертора 14, опорного преобразователя постоянного напряжения 18.

В устройство дополнительно введены конденсатор 26 и второй датчик напряжения 22, параллельно соединенные с шинами питания трехфазного инвертора 9, первый транзисторный ключ 6 с шунтирующим диодом 7, одним выводом соединенный с отрицательной шиной питающего напряжения трехфазного инвертора 9, резистор 5, соединенный одним выводом с вторым выводом первого транзисторного ключа 6, а вторым - с положительной шиной питающего напряжения трехфазного инвертора 9, кроме того, введен второй транзисторный ключ 23 и последовательно соединенное с ним зарядное устройство 24, соединенное с аккумуляторной батареей 13; система управления 20 соединена с выходом второго датчика напряжения 22 и по его сигналам формирует ШИМ сигналы для управления работой первого 6 и второго 23 транзисторов; трехфазный инвертор 9 выполнен по мостовой схеме с тремя парами последовательно включенных транзисторов 9-1 и 9-4, 9-2 и 9-5, 9-3 и 9-6, соединенными с шинами питания трехфазного инвертора 9, и соответственно шунтирующими их диодами обратного включения 9-9 и 9-10, 9-8 и 9-11, 9-9 и 9-12.

Описание работы преобразователя частоты

Предлагаемый преобразователь частоты (см. фиг. 1) обеспечивает бесперебойное питание потребителей переменного тока 10 от двух первичных источников электропитания:

• от источника переменного напряжения ИПН 1 (основной источник);

• от аккумуляторной батареи АБ 13 - источника постоянного напряжения (используется при отсутствии напряжения на выходе ИПН 1).

В устройствах бесперебойного питания промышленные источники трехфазного напряжения используют в основном для питания потребителей большой мощности (см., например, патент, РФ, №2426215), при этом, в целях уменьшения массы и габаритов используют аккумуляторную батарею с более низким напряжением по отношению к напряжению промышленного источника питания.

В качестве примера можно рассматривать первичные источники питания с выходными напряжениями, например, соответствующими значениям напряжений в приведенных аналогах предлагаемой заявки (см., патенты, РФ, №№2481691, 2540966):

• источник переменного напряжения ИПН 1 - трехфазный с переменным напряжением 380 В, 50 Гц;

• изменение постоянного напряжения аккумуляторной батареи 13 от разряженного до заряженного состояния находится в пределах от 175 до 320 В.

В основном режиме работы питание потребителей переменного тока ППТ 10 осуществляется от источника переменного напряжения ИПН 1. Кроме того, в данном режиме обеспечивается заряд аккумуляторной батареи АБ 13 через зарядное устройство ЗУ 24. При этом по сигналу с датчика напряжения ДН 11 (напряжение присутствует), который является индикатором присутствия или отсутствия напряжения на выходе ИПН 1, система управления СУ 20 подает в цепь управления первого 2 и второго 17 контакторов (см., например, "Электромагнитные контакторы". На сайте: http://electricalschool.info/spravochnik/apparaty/9-jelektromagnitnye-kontaktory.html) сигналы, по которым контакты К₁ первого контактора 2 замыкаются, а контакты К₂ второго контактора 17 размыкаются, поэтому постоянное напряжение с выхода аккумуляторной батареи АБ 13 на фазные дроссели 3 не поступает.

В качестве датчика напряжения ДН 11 можно использовать, например, трансформатор с выпрямителем на выходе (см., например, "Трансформаторы, выпрямители, фильтры". На сайте: https://www.radioradar.net/hand_book/documentation/tran.html).

Первый 2 и второй 17 контакторы используются для гальванической развязки источника переменного напряжения ИПН 1 и аккумуляторной батареи АБ 13.

К входам выпрямителя-преобразователя 4 с выхода ИПН 1 через замкнутые контакты первого контактора 2 и через фазные дроссели 3 подается трехфазное переменное напряжение. В данном случае выпрямитель-преобразователь 4 работает в выпрямительном режиме, при котором транзисторы 4-1, 4-2, 4-3 выпрямителя-преобразователя 4 находятся в закрытом состоянии (закрытие транзисторов и перевод их в режим управления ШИМ сигналом осуществляется системой управления СУ 20). Выпрямитель-преобразователь 4 в данном режиме работает как мостовой диодный выпрямитель на диодах 4-4, 4-5, 4-6, 4-7, 4-8, 4-9 (см., например, Трехфазный мостовой выпрямитель. На сайте: https://studref.com/601497/tehnika/trehfaznyy_mostovoy_vypryamitel) и на его выходе (на фильтрующем конденсаторе 8) формируется постоянное напряжение U_выпр:

где U_л - линейное напряжение источника переменного напряжения ИПН 1. В соответствии с выражением (1) сформированное напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя-преобразователя 4 (537 В при выбранном для примера U_л=380 В) сглаживается фильтрующим конденсатором 8, которое затем через выходной диод 21 поступает на конденсатор 26, подключенный к шинам питания трехфазного инвертора И₁ 9, выполненного по мостовой схеме на транзисторах 9-7, 9-8, 9-9, 9-10, 9-11, 9-12 с шунтирующими диодами 9-1, 9-2, 9-3, 9-4, 9-5, 9-6, и управляемого ШИМ сигналом, который на выходе формирует требуемое переменное напряжение для потребителей переменного тока ППТ 10.

Конденсатор 26 фильтрует пульсации постоянного напряжения U_выпр, а также сглаживает перепады напряжения на шинах питания трехфазного инвертора И₁ 9.

Описание работы трехфазного инвертора И₁ 9 приведено, например: На сайте: https://helpiks.org/9-64571.html.

При этом, опорный диод 19 находится в закрытом состоянии, т.к. на выходе опорного преобразователя постоянного напряжения 18 постоянно присутствует опорное напряжение U_оп, которое находится в допустимом рабочем диапазоне напряжений на шинах питания трехфазного инвертора И₁ 9, но по величине ниже заданного напряжения, формируемого выпрямителем-преобразователем 4, т.е. выполняются условия (малым напряжением на открытом диоде 21 пренебрегаем):

где

• U_мин - минимальное допустимое напряжение на шинах питания трехфазного инвертора И₁ 9;

• U_макс - максимальное допустимое напряжение на шинах питания трехфазного инвертора И₁ 9.

где U_{выпр.мин} - минимальное выпрямленное напряжение на конденсаторе 26, определяемое нестабильностью выпрямителя-преобразователя 4. Благодаря закрытому состоянию опорного диода 19 опорное напряжение с выхода опорного преобразователя постоянного напряжения 18 не влияет на работу выпрямителя-преобразователя 4 и его входные цепи. Однако при сбоях в работе ИПН 1, например, наличии определенных провалов выходных напряжений (недостаточных для размыкания контактов первого контактора 2, который срабатывает при отсутствии напряжения на выходе ИПН 1), напряжение на выходе выпрямителя-преобразователя 4 снижается и при достижении значений ниже опорного напряжения на выходе опорного преобразователя постоянного напряжения 18 открывается опорный диод 19 и закрывается выходной диод 21. Опорное напряжение с выхода опорного преобразователя постоянного напряжения 18 через опорный диод 19 поступает на шины питания трехфазного инвертора И₁ 9, обеспечивая, тем самым, требуемую стабилизацию напряжения на его выходе, без каких либо провалов. Выходной диод 21, находящийся в закрытом состоянии, защищает (отсекает) выпрямитель-преобразователь 4 и его входные цепи от влияния выходного напряжения опорного преобразователя постоянного напряжения 18 на их работу.

Формирование напряжения на выходе опорного преобразователя постоянного напряжения 18 осуществляется следующим образом.

Последовательно соединенные однофазный инвертор 14, трансформатор 15 и выпрямитель 16 представляют собой преобразователь постоянного напряжения 25.

Постоянное напряжения с аккумуляторной батареи АБ 13 поступает на вход однофазного инвертора И₂ 14, который может быть выполнен, например, по мостовой схеме (см., например, Однофазный полномостовой (мостовой) инвертор напряжения. На сайте: https://helpiks.org/9-64566.html).

Переменное напряжение с выхода однофазного инвертора И₂ 14 преобразуется трансформатором 15 в заданное значение переменного напряжения относительно выходного напряжения ИПН 1, создавая, тем самым, оптимальные условия для работы выпрямителя-преобразователя 4, в результате чего повышается эффективность его работы из-за снижения пульсаций и повышения стабилизации выходного напряжения, а также обеспечивается оптимальный выбор фазных дросселей 3 и фильтрующего конденсатора 8 по массе и габаритам (работа выпрямителя-преобразователя 4 при переходе в режим преобразования постоянного напряжения в постоянное будет рассмотрена ниже).

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора 15 через выпрямитель 16 поступает на вход опорного преобразователя постоянного напряжения 18, на выходе которого формируется постоянное опорное напряжение U_оп, соответствующее значению в выражении (3).

В качестве опорного преобразователя постоянного напряжения 18 может использоваться, например, источник питания, приведенный на сайте: https://ozlib.com/1038388/).

Выпрямитель 16 может быть выполнен в виде диодного моста (см., например, "Диодный мост". На сайте: https://www.ruselectronic.com/diodnyj-most/).

При отсутствии напряжения на выходе источника переменного напряжения ИПН 1 по сигналу датчика напряжения ДН 11 (напряжение отсутствует) система управления СУ 20 вырабатывает в цепь управления первого 2 и второго 17 контакторов сигналы, по которым контакты К₁ контактора 2 размыкаются, а контакты К₂ контактора 17 замыкаются. Системой управления СУ 20 выпрямитель-преобразователь 4 переводится в режим преобразования постоянного напряжения в постоянное со стабилизацией напряжения на его выходе (на конденсаторах 8 и 26), т.е. преобразователь частоты переводится в режим питания от аккумуляторной батареи АБ 13.

Постоянное напряжения с выхода выпрямителя 16 через контакты К₂ контактора 17, разделительные диоды 12 и фазные дроссели 3 подается к входам выпрямителя-преобразователя 4, находящегося в режиме преобразования постоянного напряжения в постоянное со стабилизацией напряжения на выходе.

В данном режиме транзисторы 4-1, 4-2, 4-3 выпрямителя-преобразователя 4 работают в ключевом режиме, управляемыми ШИМ сигналами с контроллера, находящемся в СУ 20. Каждая цепь в виде диода разделительных диодов 12, дросселя фазных дросселей 3, транзистора 4-i (где i - соответственно 1, 2, 3), диодов 4-i (где i -соответственно 4, 5, 6, 7, 8, 9) и фильтрующего конденсатора 8 представляет собой бустерную схему импульсного стабилизатора-преобразователя (см., например, "Повышающий импульсный стабилизатор напряжения". На сайте: https://fresh-web-studio.github.io/artemsdobnikov/math/boost-conv

В данном источнике информации отмечено, что на практике коэффициент передачи, т.е. отношение выходного напряжения к входному, находящийся в диапазоне от 1,5 до 3, является оптимальными для работы повышающего импульсного стабилизатора. Поскольку выходное напряжение выпрямителя-преобразователя 4 должно соответствовать U_выпр, то выходное напряжение преобразователя постоянного напряжения 25 (является входным напряжением для выпрямителя-преобразователя 4) должно соответствовать данному оптимальному условию.

Рассмотрим работу одной цепи моста в выпрямителе-преобразователе 4 (две другие работают аналогично).

Когда ключ на транзисторе 4-1 замкнут, ток от источника питания с выхода выпрямителя 16 протекает через дроссель фазных дросселей 3, запасая в нем энергию. Диод 4-4 при этом отсекает (блокирует) фильтрующий конденсатор 8 и не позволяет ему разряжаться через замкнутый ключ. Ток в нагрузку (на конденсатор 26 и шины питания трехфазного инвертора 9) в этот промежуток времени поступает через выходной диод 21 только от фильтрующего конденсатора 8. Далее, когда ключ закрывается, электродвижущая сила самоиндукции дросселя фазных дросселей 3 суммируется с выходным напряжением на фильтрующем конденсаторе 8 и энергия тока дросселя отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение выпрямителя-преобразователя 4 оказывается больше его входного на величину, определяемой индуктивностью дросселя и скважностью работы ключевого транзистора 4-1.

Для практической реализации выпрямителя-преобразователя 4 может быть использованы в IGBT модули в виде полумоста SEMIX453GD12E4C, а в качестве контроллера в СУ 20 для управления ШИМ сигналом транзисторов IGBT можно использовать микроконтроллер ST10F276Z5T3.

Следует отметить, что полностью отечественные IGBT модули, которые также можно использовать для реализации выпрямителя-преобразователя 4 приведены на сайте: https://www.angstrem.ru/company/articles/silovaya_ekb_lineyka_polnostyu_otechestvennykh_igbt_moduley/).

С учетом времени срабатывания системы управления 20, первого 2 и второго 17 контакторов на размыкание и замыкание контактов К₁ и К₂ и наоборот, наблюдается запаздывание появления напряжения на входе выпрямителя-преобразователя 4, поэтому с учетом времени формирования им выходных напряжений наблюдается отсутствие напряжения (наличие "провалов") на его выходе.

Для исключения данного недостатка при отсутствии напряжения на выходе выпрямителя-преобразователя 4, в соответствии с выражением (3), открывается опорный диод 19 и закрывается выходной диод 21, отсекает (блокирует) выпрямитель-преобразователь 4 и его входные цепи от выходного напряжения опорного преобразователя постоянного напряжения 18. Опорное напряжение с выхода опорного преобразователя постоянного напряжения 18 через опорный диод 19 поступает на вход инвертора 9, обеспечивая, тем самым, требуемую стабилизацию напряжения на его выходе, без каких либо провалов.

При появлении напряжения на выходе источника переменного напряжения ИПН 1 по сигналу датчика напряжения ДН 11 (напряжение присутствует) система управления СУ 20 вырабатывает в цепь управления первого 2 и второго 17 контакторов сигналы, по которым контакты К₁ контактора 2 замыкаются, а контакты К₂ контактора 17 размыкаются. Системой управления СУ 20 выпрямитель-преобразователь 4 переводится в выпрямительный режим, описанный выше.

При использовании в качестве потребителя переменного напряжения электрического двигателя (М), в результате торможения электропривода с высокоинерционной нагрузкой, электрический двигатель может переходить в генераторный режим, т.е. происходит конвертирование кинетической энергии в электрическую. Генерируемая при этом электрическая энергия возвращается в преобразователь частоты и выпрямляется обратными диодами инвертора 9-1, 9-2, 9-3, 9-4, 9-5, 9-6, шунтирующими транзисторы инвертора 9-7, 9-8, 9-9, 9-10, 9-11, 9-12, в результате чего растет постоянное напряжение на шинах питания трехфазного инвертора 9 (на конденсаторе 26).

Согласно теории электрических цепей (см., например, Матвиенко В.А. Основы теории цепей. Учебное пособие. Екатеринбург, 2016. С. 32, 35) конденсатор является инерционным элементом при изменении напряжения, т.к. соотношение между изменением напряжения (U_c) на конденсаторе и током (I_c) заряда (разряда) в течение времени t определяется следующим выражением:

где С - емкость конденсатора.

Поэтому конденсатор 26 "сглаживает" перепады напряжения на шинах питания трехфазного инвертора И₁ 9, при этом, его амплитудное значение может вырасти до опасного значения и вывести из строя преобразователь частоты.

Рассмотрим защиту преобразователя частоты при его работе в основном режиме и в режиме питания от аккумуляторной батареи АБ 13:

• в основном режиме работы при питании от источника переменного напряжения ИПН 1 в исходном состоянии второй транзисторный ключ 23 управляется ШИМ сигналом и постоянно находится в "рабочем" состоянии, обеспечивая работу зарядного устройства ЗУ 24 для заряда аккумуляторной батареи АБ 13. Зарядное устройство ЗУ 24 может быть выполнено в виде импульсного стабилизатора с ШИМ управлением силовым ключом, являющегося импульсным последовательным стабилизатором понижающего типа, выполненного по чопперной схеме, в котором стабилизируются требуемые значения по напряжению и току для заряда аккумуляторной батареи 13 (см. например, патент, РФ, №2779324). При этом, первый транзисторный ключ 6 находится в закрытом состоянии. В результате торможения электропривода при достижении на шинах питания трехфазного инвертора И₁ 9 максимально допустимого постоянного напряжения U_мaкс (см. выражение 2) по сигналу срабатывания второго датчика напряжения ДН₂ 22, поступающему в систему управления СУ 20, она переводит первый транзисторный ключ 6 в "рабочее" состояние, управляемого ШИМ сигналом (при этом диоды 21 и 19 находятся в закрытом состоянии и отсекают (блокируют) от шин питания трехфазного инвертора И₁ 9, находящиеся до них цепи). При открытом первом транзисторе 6 (шунтирующий диод 7 защищает первый транзистор 5 от обратных напряжений) протекающий ток через резистор 5 обеспечивает "поглощение" электрической энергии с конденсатора 26, которая конвертируется в тепловую энергию, выделяемую на резисторе 5, поддерживая, тем самым, постоянное напряжение на шинах питания трехфазного инвертора И₁ 9 в заданных допустимых пределах;

• в режиме питания от аккумуляторной батареи АБ 13 в исходном состоянии первый транзистор 6 и второй транзистор 23 закрыты. В результате торможения электропривода при достижении на шинах питания трехфазного инвертора И₁ 9 (на конденсаторе 26) максимально допустимого напряжения U_мaкс по сигналу срабатывания второго датчика напряжения ДН₂ 22, поступающему в систему управления СУ 20, она переводит второй транзистор 23 в "рабочее" состояние, управляемого ШИМ сигналом. Рекуперация энергии осуществляется через второй транзисторный ключ 23 и зарядное устройство ЗУ 24, обеспечивающих заряд аккумуляторной батареи АБ 13, в результате чего, поддерживается постоянное напряжение на шинах питания трехфазного инвертора И₁ 9 в заданных допустимых пределах. При этом, величина напряжения на конденсаторе 26 постоянно контролируется вторым датчиком напряжения ДН₂ 22. В случае недостаточности "поглощения" избыточной электрической энергии на конденсаторе 26 путем рекуперации ("поглощение" зависит от требуемой энергии для заряда аккумуляторной батареи АБ 13 и величины кинетической энергии торможения электропривода) системой управления СУ 20 первый транзисторный ключ 6 переводится в "рабочее" состояние с управлением ШИМ сигналом. Протекающий ток через резистор 5 обеспечивает "поглощение" электрической энергии с конденсатора 26, которая конвертируется в тепловую энергию, выделяемую на резисторе 5, поддерживая, тем самым, постоянное напряжение на шинах питания трехфазного инвертора И₁ 9 в заданных допустимых пределах.

Заряд аккумуляторной батареи АБ 13 рекуперацией энергии позволяет уменьшить глубину разряда аккумуляторной батареи, что позволяет увеличить срок ее службы. Кроме того, уменьшается количество выделяемой тепловой энергии на резисторе 5.

В качестве резистора 5 можно использовать, например, проволочный резистор с керамическим корпусом типа РБ (см. РБ тормозные резисторы. На сайте: https://owen.ru/product/tormoznie_rezistori_oven_rb/question).

В качестве второго датчика напряжения ДН₂ 22 можно использовать, например, датчики напряжения, выпускаемые АО «НИИЭМ», г. Истра, Московской области (см. Датчики измерения тока и напряжения для систем автоматизации. На сайте: https://isup.ru/articles/16/1195/).

Таким образом, в предлагаемом изобретении используется неизвестная совокупность известных признаков (каждый признак по-отдельности известен из открытых источников информации) и отвечает критерию "изобретательский уровень" в полной мере.

Изобретение относится к области электротехники и более конкретно к преобразователям частоты с двойным преобразованием энергии для бесперебойного питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока. В предлагаемом преобразователе частоты, предназначенном для бесперебойного питания потребителей переменного тока, присутствуют два источника питания - это трехфазный источник питания переменного напряжения в качестве основного источника и аккумуляторная батарея в качестве резервного. Преобразователь частоты позволяет обеспечить защиту входных цепей формирования питания трехфазного инвертора через обратные включения диодов и "поглощение" электрической энергии, возникающей при использовании в качестве потребителя переменного напряжения электрического двигателя, который в результате торможения электропривода с высокоинерционной нагрузкой переходит в генераторный режим, формируя на шинах питания трехфазного инвертора высокие напряжения. Контроль напряжения на шинах питания трехфазного инвертора осуществляется с помощью датчика напряжения и при достижении максимально допустимого постоянного напряжения обеспечивается "поглощение" электрической энергии путем конвертирования ее в тепловую энергию, выделяемую на резисторе. Кроме того, в режиме питания преобразователя частоты от аккумуляторной батареи, при возникающих высоких напряжениях на шинах питания трехфазного инвертора из-за торможения электропривода, осуществляется "поглощение" избыточной электрической энергии путем рекуперации энергии для заряда аккумуляторной батареи. В результате поддерживается постоянное напряжение на шинах питания трехфазного инвертора в заданных допустимых пределах. Техническим результатом является повышение надежности преобразователя частоты при обеспечении высокой эффективности его работы. 1 ил.

Преобразователь частоты, включающий в себя источник переменного напряжения и аккумуляторную батарею, первый и второй контакторы, фазные дроссели, разделительные диоды, выпрямитель-преобразователь, выход которого соединен параллельно с фильтрующим конденсатором, а также последовательно соединенный с аккумуляторной батареей преобразователь постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные однофазный инвертор, трансформатор и выпрямитель с фильтром на выходе, при этом, выходы источника переменного напряжения через контакты первого контактора соединены с катодами разделительных диодов и через фазные дроссели с входом выпрямителя-преобразователя, выполненного по мостовой схеме в виде транзисторных ключей с параллельно и последовательно соединенными диодами, обеспечивающего выпрямление переменного и преобразование со стабилизацией постоянного напряжений; кроме того, включающий в себя первый датчик напряжения, опорный преобразователь постоянного напряжения, выходной диод, диод опорного напряжения и систему управления, при этом, положительная шина преобразователя постоянного напряжения через контакты второго контактора соединена с анодами разделительных диодов и одним входом опорного преобразователя постоянного напряжения, выход выпрямителя-преобразователя через выходной диод прямого включения соединен с выходом опорного преобразователя постоянного напряжения через диод опорного напряжения обратного включения и с входом трехфазного инвертора, выход которого соединен с потребителями переменного тока; система управления по сигналу первого датчика напряжения с источника переменного напряжения обеспечивает управление работой контакторов, основного выпрямителя, однофазного и трехфазного инверторов, опорного преобразователя постоянного напряжения, отличающийся тем, что дополнительно введены конденсатор и второй датчик напряжения, параллельно соединенные с шинами питания трехфазного инвертора, первый транзисторный ключ с шунтирующим диодом, одним выводом соединенный с отрицательной шиной питающего напряжения трехфазного инвертора, резистор, соединенный одним выводом с вторым выводом первого транзисторного ключа, а вторым - с положительной шиной питающего напряжения трехфазного инвертора, кроме того, введен второй транзисторный ключ и последовательно соединенное с ним зарядное устройство, соединенное с аккумуляторной батареей; система управления соединена с выходом второго датчика напряжения и по его сигналам формирует ШИМ сигналы для управления работой первого и второго транзисторов.