Преобразователь частоты с рекуперацией энергии в сеть Советский патент 1979 года по МПК H02M5/443 H02M5/27 

I

Изобретение относится к области силовой полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано в системах частотного регулирования скорости асинхронных электродвигателей (АД)

Известны, статические преобразователи частоты с рекуперацией энергии в сеть при генераторном режиме работы электромашинной нагрузки 1, 2, 3, 4.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является преобразователь частоты (ПЧ) с рекуперацией энергии в сеть, который содержит, как и предлагаемый ПЧ, независимый инвертор, подключенный своим входом по постоянному току к управляемому выпрямителю, а выходом - к группе обратных вентилей, дополнительный ведомый сетью инвертор, соединенный с группой обратных вентилей и подключенный к питающей сети. Независимый инвертор выполнен по схеме инвертора напряжен ия (НИН). ПЧ содержит также блок управления, включающий в себя систему управления выпрямителем, систему управления независимым инвертором и систему управления ведомым инвертором Л. I. Рекуперация энергии в сеть

осуществляется через группу обратных вентилей и дополнительный ведомый инвертор. Напряжения Ц и обоих промежуточных контурах постоянного тока поддерживаются примерно равными как в двигательном

так и в генераторном режимах работы нагрузки. Изменение выходного напряжения ПЧ осуществляется одновременным согласованным изменением углов а и fi управления тиристорами входного выпрямителя и дополнительного ведомого инвертора. Для этого в блоке регулирования ПЧ включены датчики обратных связей по напряжениям Uj и и Выходы датчиков подключены к управляющим входам суммирующего магнитного усилителя, выход которого соединен со

входом блока управления ведомым инвертором 4.

Недостатком известного ПЧ является большая установленная мощность оборудования. Это связано с тем, что в двигательном и генераторном режимах работы силовой ток нагрузки протекает по разным контурам. Так, в двигательном режиме активная мощность передается из сети в нагрузку через входной выпрямитель и независимый инвертор, а в генераторном режиме активная мощность от электрической машины возвращается в сеть через группу обратных вентилей и дополнительный ведомый сетью инвертор. В результате чего все силовое оборудование известного ПЧ практически выбирается по номинальному току нагрузки. Необходимость согласованного изменения углов а и /) управления тиристорами входного выпрямителя и дополнительного ведомого инвертора усложняет блок управления известного ПЧ. Цель изобретения - упростить преобразователь и уменьщить установленную мощность его оборудования. Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом преобразователе в качестве независимого инвертора применен инвертор тока, а система управления ведомым инвер эром выполненная автономной, подключена своим входом к источнику постоянного задающего сигнала и детерминирует угол опережения включения вентилей ведомого инвертора из условия вступления его в работу при максимальном напряжении основной гармоники на выходе, независимого инвертора. На фиг. 1 изображена схема одного из вариантов преобразователя частоты; на фиг. 2, а, б, в, г, д, е - диаграммы токов и напряжений на отдельных элементах ПЧ в процессе ком.мутации. Входной трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель на тиристорах 1-6 подключен своим входом по пере.менному току к питающей сети переменно1-о liaпряжения постоянной частоты. Общие катоды тиристоров 1, 2, 3 соединены через дроссель 7 фильтра, обладающий больщой индуктивностью, с общими анодами основных тиристоров 8, 9, 10 независимого ийвертора тока с междуфазовой коммутацией. Общие катоды трех других основных тиристоров 11, 12, 13 инвертора соединены с общими анодами тиристоров 4, 5, 6 входного выпрямителя. Независимый инвертор тока содержит щесть батарей коммутирующих конденсаторов , включенных соответственно между основными тиристорами , 11 -13 и отсекаюнлими диодами , 23 Г 25. К выходным зажимам инвертора подключена трехфазная электромагпинная нагрузка переменного тока. Для повышения коммутационной устойчивости инвертора при пуске и работе в области низких частот и напряжений к щести зажимам коммутирующих конденсаторов 14 -19, общим анодам тиристоров 8-10 и общим катодам тиристоров И -13 подключены выходы устройства 29 подзаряда коммутирующих конденсаторов, вход которого подключен к питающей сети переменного напряжения. Для осуп ествления работы независимого инвертора тока на электроманшнную нагрузку преобразователь частоты содержит блок управления 30, состоящий из системы управлегп я входным выпрямителем с диапазоном фазово -о управления 180 эл. град. 31, системы yпpaF лeния иезависимрлм инвертором 32, блока 33 обратной связи по напряжению или ЭДС электромашины, элемента сравнения 34, усилителя 35, блока задания 36. Блок управления обеспечивает двигательный и генераторный режимы работы нагрузки е рекуперацией энергии в сеть путем перевода входного выпрямителя на тиристорах -;-6 в режим инвертора, ведомого сетью, а независимого инвертора - в режим компенсированного выпрямителя. Для синхронизации работы системы 3 с напряжением сети используется линия связи 37. Дополнительный неуправляемый выпрямитель на вентилях , вход которого по перемепному току подключен к выходным зажимам незасисимого инвертора тока, а выход - к Конденсатору 44, дроссель 45 и ведомый инвертор на тиристорах 4б-;-51, выходом подключенный через трехфазный согласующий трансформатор 52 к питающей сети переменного напряжения используются только для ограничения перенапряжений на элементах преобразователя и на нагрузке. Управление ведо.мым nHBepTOporvi осуществляется с помош,ью автономной системы управления 53. Вход, системы управления 53 соединен с источником постоянного задающего сигнала 54. Линия связи 55 ocyniecTвляет синхронизацию работы системы 53 с напряжение.м сети. Рассмотрим работу схемы преобразователя частоты в интервале ком.;утации основного тиристора независимого инвертора тока. Предположим, что до момента tg (фиг. 2) начала коммутации были включены ос ювные тиристоры 8 и 13 инвертора. Ток Tlgg (фиг. 2, а) нагрузки протекает по цепи соединяющей питающую сеть переменного напряжения, один из тиристоров 1-тГ-З ВХОл ного выпрямителя, дроссель 7, тиристор 8 независимого инвертора, отсекающ.ий диод 20, фазу 26 нагрузки, фазу 28 нагрузки, отсекающий диод 25, тиристор 13 независимого инвертора, один из тиристоров 4--6 входного В э1прямителя, гпггающую сеть переменного напряжения. Ток 1.541.1б (ф|г. 2, е через коммутирующие конденсаторы равен нулю (момент времени t-j). Напряжения 1.Ц4 (фиг. 2,6) на коммутирующем конденсаторе 14 имеет полярность плюс на катоде тиристора 8, минус на катоде тиристора 9. Выходное напряжение U (фиг. 2, д) независимого 11ивертра тока в первом приближении может быть представлено в виде двух составляющих: синусоида.тьного напряжения основной частоты и коммутационных выбросов, амплитуда которых может в несколько раз превышать амплитуду синусоидального напряжения основной частоты. С г омоп|ью автономной системы 53 управления устройством ограничения перенапряжений и задающего источника 54 фазовые углы импульсов управления, поступаюш,их на тиристоры заданы такой величины, чтобы ток через неуправляемые вентили во внекоммутационные интервалы рабочего периода независимого инвертора не протекал.как в двигательном, так и в генераторном режимах работы электромашинной нагрузки 264-28.

Предположим далее, что коммутация осуществляется в анодной группе тиристоров независимого инвертора.

Допустим, что за время коммутации ток в дросселе 7 фильтра не изменяется по своей величине, а тиристоры выключаются мгновенно.

Тогда в момент времени t2 включают тиристор 9, а тиристор 8 выключают. На отсекающий диод 21 поступило обратное напряжение и он закрывается. После выключения тиристора 8 неизменный по величине ток протекает по .цепи: питающая сеть переменного напряжения, один из тиристоров входного выпрямителя, дроссель 7, тиристор 9, батарея коммутирующих конденсаторов 14-f-16, отсекающий диод 20, фаза

26нагрузки, фаза 28 нагрузки, отсекающий диод 25, тиристор 13 независимого инвертора, один из тиристоров входного выпрямителя, питающая сеть переменного напряжения. Идет процесс перезаряда батареи коммутирующих конденсаторов ностоянны.м по величине током З. is 16

Ijs, вследствие чего напряжение Ui 4 наконденсаторе 14 снижается по линейному закону и в момент времени 1з становится равным нулю. Время, равное (1з -U), есть время, предоставляемое для выключения тиристоров независимого инвертора. После момента ts напряжение Ui 4 меняет полярность и зарядка конденсаторов постоянным током продолжается до момента t4. В .момент t4 линейное напряжение Уд -Еистановится равным по величине и по знаку напряжению Ui4 на конденсаторе 14, при этом открывается отсекающий диод 21, и начинается процесс коммутации тока в фазах нагрузки, т. е. переход тока с фазы 26 на фазу 27. Ток Зге в фазе 26 спадает, а в фазе

27возрастает. Линейное напряжение

и напряжение Ui 4 продолжают возрастать. Этот процесс продолжается до момента времени t;. В момент t5 .линейное напряжение Цдц, становится равным по величине напряжению на конденсаторе 44, при этом открываются диоды 39, 41 и ток 2S фазы 26 замыкается по цепи: фаза 26 нагрузки, фаза 27 нагрузки, диод 39, конденсатор 44, дио/о. 41, фаза 26 нагрузки. Ток 3 s « через конденсаторы 14, 15, 16 скачко.м снижается до нуля, напряжение на батарее конденсаторов 14, 15, 16 и линейное напряжение U.g ограничиваются на уровне напряжения на конденсаторе 44. Ток фазы 26, замыкаясь через диоды 39, 41 снижается и в момент времени te становится равным нулю. На этом, процесс коммутации тока в фазах нагрузки заканчивается. Теперь ток нагрузки протекает по фазам 27 и 28 (момент t;- ).

Аналогичные процессы происходят и при коммутациях других основных тиристоров независимого инвертора тока. При каждой коммутации избыток энергии, накопленной в индуктивностях рассеяния коммутируемых фаз электромащинной нагрузки 264-28, через неуправляемый выпрямитель , дроссель 45, тиристоры , трансформатор 52 возвращается в питающую сеть. Благодаря специфике работы ведомого инвертора максимальный уровень напряжения на коммутирующих конденсаторах не превышает заданное напряжение на конденсаторе 44. На этом же уровне ограничивается напряжение и на основных тиристорах 8-13. Максимальный уровень напряжения на отсекаюЦ-1ИХ диодах 20-Г-25 снижается, так как напряжение на отсекающих диодах суммируется из соответствующего линейного напряжения на выходе независимого инвертора и напряжения на соответствующем ко.ммутирующем конденсаторе.

Таким образом, величина коммутационных перенапряжений в преобразователе ограничивается на заданном уровне, определяемом напряжением на конденсаторе 44, как в двигательном, так и в генераторном режимах работы различных электромашин переменного тока, что делает схему данного ПЧ универсальной для широкого класса нагрузок.

В дополнительный выпрямитель на диодах 384-43 и ведомый инвертор на тиристорах 464-51 поступает мощность, составляющая примерно 10.% от полной мощности нагрузки, что позволяет в несколько раз уменьшить их установленную мощность и в целом существенно повысить технико-экономические показатели ПЧ. Кроме того, упрощается блок управления ПЧ, поскольку для ограничения напряжения на заданном постоянном уровне не требуется регулировать угол опережения зажигания тиристоров .

Данное изобретение позволяет также существенно снизить установленную мощность коммутирующих конденсаторов, используемых только для выключения тиристоров, и повысить коэффициент полезного действия.

Формула изобретения

Преобразователь частоты с рекуперацией энергии в сеть, состоящий из независимого инвертора, подключенного своим входом по постоянному току к управляемому входному выпрямителю, дополнительного неуправляемого выпрямителя, вход которого по переменному току подключен к выходным

,.,

663042

7

выводам независимого инвертора, а его выход по постоянному току подключен через CL-фильтр ко входу дополнительного ведомого инвертора, выходом связанного со входом ynpaBviHeMoro выпpямитev я, и блок управления, содержащий систему управления независимым инвертором, систему управления входным выпрямителем и систему управления ведомым инвертором, отличающийся тем, что, с целью уменьшения установленной мощности и упрощения в качестве независимого инвертора применен инвертор тока, а система управления ведомым инвертором выполнена на автономной, подключена своим входом к источнику постоянного задающего сигнала, и детерминирует угол опережения включения вентилей ведомого инвертора из условия вступления его в работу при максимальном напряжении основной гармоники на выходе независимого инвертора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 238656, кл. 21 d 14/01, 1969 (прототип).

2.Шукалов В. Ф., Певзнер Е. М. Система электропривода с частотным управлением применительно к судовым грузоподъемным механизмам. «Автоматизированный электропривод в народном хозяйстве. Труды V Всесоюзной конференции по автоматизированному электроприводу, т. 1, «Общие вопросы и средства управления, под ред. М. Чиликина и др. М., «Энергия, 1971-, с. 131 - 133, рис. 1.

3.Аранчий Г. В., Жемеров Г- Г., Эпщтейн И. И. Тиристорные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов. Библиотека по автоматике, выпуск 271, «Энергия, М., 1968, с. 41.

4. Патент ФРГ №2035262, кл. 21 dу 2/02 1972, (прототип).

rziifitstfh