Перетворювач частоти струму

Перетворювач частоти струму, до складу якого входять трифазний мостовий перетворювач, виконаний на IGBT-транзисторах, конденсатор і датчик його напруги, які з'єднані паралельно і підключені до виходу трифазного мостового перетворювача, перший, другий і третій дроселі, перший, другий і третій датчики струму, трифазний вимикач, при цьому виводи змінного струму трифазного мостового перетворювача через відповідні ланцюжки з послідовно з'єднаними дроселями і датчиками струму і трифазний вимикач підключені до відповідних виводів трифазного навантаження, перший, другий і третій суматори, віднімаючі входи яких приєднані до виходів відповідних датчиків струму, перший, другий і третій релейні елементи, входи яких з'єднані з виходами відповідних суматорів, шість блоків перемножування, четвертий, п'ятий і шостий релейні елементи, четвертий і п'ятий суматори, блок ділення, датчик амплітуди напруги, при цьому віднімаючий вхід четвертого суматора з'єднаний з виходом датчика напруги конденсатора, а його вихід підключений до першого входу п'ятого суматора, другий вхід якого з'єднаний з виходом блока ділення, вихід п'ятого суматора підключений до перших входів першого, другого і третього блоків перемножування, дванадцять підсилювачів-формувачів, четвертий дросель і четвертий датчик струму, який відрізняється тим, що в нього додатково введені блок завдання, синхронізатор і генератор каліброваних сигналів, шостий, сьомий, восьмий і дев'ятий суматори, п'ятий і шостий дроселі, п'ятий і шостий датчики струму, три датчики фазної напруги навантаження, шість логічних елементів «НІ», другий трифазний мостовий перетворювач, виконаний на IGBT-транзисторах, відповідні виходи якого через ланцюжки послідовно з'єднаних відповідно четвертого дроселя і четвертого датчика струму, п'ятого дроселя і п'ятого датчика струму, шостого дроселя 2 (19) 1 3 66076 4 до виходів першого, другого і третього релейних елементів через десятий, одинадцятий, дванадця тий підсилювачі-формувачі і четвертий, п'ятий і шостий логічні елементи ''НІ'' відповідно. Корисна модель належить до електротехніки і може бути використана для живлення споживачів, що потребують регулювання частоти струму. Відомий перетворювач частоти, до складу якого входить перший трифазний мостовий керований перетворювач з системою керування, другий трифазний мостовий керований перетворювач з системою керування, дросель, який ввімкнений між катодними виводами першого перетворювача і анодними виводами другого перетворювача, датчик струму, який ввімкнений між катодними виводами другого перетворювача та анодними виводами першого перетворювача [Башарин А.В., Новиков В.А. Соколовский Г.Г. Управление електроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 392 с.]. Недоліком відомого перетворювача частоти є необхідність в його значному ускладненні при формуванні струмів в навантаженні близьких за формою до синусоїдальних, суттєві втрати потужності, низький коефіцієнт потужності при глибокому регулюванні струму, значні пульсації моменту асинхронного двигуна, якщо останній є навантаженням перетворювача частоти. Найбільш близьким за технічним рішенням є перетворювач частоти струму, до складу якого входять трифазний мостовий перетворювач, виконаний на IGBT-транзисторах, конденсатор і датчик його напруги, які з'єднані паралельно і підключені до виходу трифазного мостового перетворювача, перший, другий і третій дроселі, перший, другий і третій датчики струму, трифазний вимикач, при цьому виводи змінного струму трифазного мостового перетворювача через відповідні ланцюжки з послідовно з'єднаними дроселями і датчиками струму і трифазний вимикач підключені до відповідних виводів трифазного навантаження, перший, другий і третій суматори, віднімаючі входи яких приєднані до виходів відповідних датчиків струму, перший, другий і третій релейні елементи, входи яких з'єднані з виходами відповідних суматорів, шість блоків перемножування, четвертий, п'ятий і шостий релейні елементи, четвертий і п'ятий суматори, блок ділення, датчик амплітуди напруги, при цьому віднімаючий вхід четвертого суматора з'єднаний з виходом датчика напруги конденсатора, а його вихід підключений до першого входу п'ятого суматора, другий вхід якого з'єднаний з виходом блока ділення, вихід п'ятого суматора підключений до перших входів першого, другого і третього блоків перемножування, дванадцять підсилювачів-формувачів, четвертий дросель і четвертий датчик струму [Патент на винахід UA №66191, МПК(2006) Н02М 5/02, Бюл №7, 2007 р.]. Недоліком відомого перетворювача частоти є складність, що обумовлена наявністю трьох трифазних мостових перетворювачів з системами керування, які реалізують складний алгоритм ке рування перетворювача в цілому, а також низька електромагнітна сумісність перетворювача з живильною мережею. В основу корисної моделі поставлена задача спрощення перетворювача частоти і забезпечення електромагнітної сумісності з мережею, що досягається за рахунок виключення третього керованого мостового перетворювача і суттєвого спрощення системи керування. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в перетворювач частоти, що містить трифазний мостовий перетворювач, виконаний на IGBTтранзисторах, конденсатор і датчик його напруги, які з'єднані паралельно і підключені до виходу трифазного мостового перетворювача, перший, другий і третій дроселі, перший, другий і третій датчики струму, трифазний вимикач, при цьому виводи змінного струму трифазного мостового перетворювача через відповідні ланцюжки з послідовно з'єднаними дроселями і датчиками струму і трифазний вимикач підключені до відповідних виводів трифазного навантаження, перший, другий і третій суматори, віднімаючі входи яких приєднані до виходів відповідних датчиків струму, перший, другий і третій релейні елементи, входи яких з'єднані з виходами відповідних суматорів, шість блоків перемножування, четвертий, п'ятий і шостий релейні елементи, четвертий і п'ятий суматори, блок ділення, датчик амплітуди напруги, при цьому віднімаючий вхід четвертого суматора з'єднаний з виходом датчика напруги конденсатора, а його вихід підключений до першого входу п'ятого суматора, другий вхід якого з'єднаний з виходом блока ділення, вихід п'ятого суматора підключений до перших входів першого, другого і третього блоків перемножування, дванадцять підсилювачів-формувачів, четвертий дросель і четвертий датчик струму, згідно з корисною моделлю, в нього додатково введені блок завдання, синхронізатор і генератор каліброваних сигналів, шостий, сьомий, восьмий і дев'ятий суматори, п'ятий і шостий дроселі, п'ятий і шостий датчики струму, три датчики фазної напруги навантаження, шість логічних елементів ''НІ'', другий трифазний мостовий перетворювач, виконаний на IGBT-транзисторах, відповідні виходи якого через ланцюжки послідовно з'єднаних відповідно четвертого дроселя і четвертого датчика струму, п'ятого дроселя і п'ятого датчика струму, шостого дроселя і шостого датчика струму підключені до відповідних виводів трифазної мережі живлення, а вихід другого мостового перетворювача з'єднаний паралельно з конденсатором, при цьому до виводів трифазної мережі живлення підключені також відповідні входи датчика амплітуди напруги мережі та відповідні входи синхронізатора, виходи якого з'єднані з входами генератора каліброваних сигналів, а вихід датчика амплітуди напруги мережі підключений до 5 другого входу блока ділення, при цьому виходи генератора каліброваних сигналів з'єднані з другими входами відповідно першого, другого і третього блоків перемножування, виходи яких приєднані до підсумовуючих входів відповідно шостого, сьомого і восьмого суматорів, віднімаючі входи яких підключені до виходів відповідно четвертого, п'ятого і шостого датчиків струму, а виходи шостого, сьомого і восьмого суматорів з'єднані з входами відповідно четвертого, п'ятого і шостого релейних елементів, виходи яких через перший, другий і третій підсилювачі-формувачі з'єднані із затворами IGBT-транзисторів анодної групи другого мостового перетворювача, а затвори IGBTтранзисторів катодної групи цього мостового перетворювача через четвертий, п'ятий і шостий підсилювачі-формувачі і перший, другий, третій логічні елементи ''НІ'' приєднані також до виходів четвертого, п'ятого і шостого релейних елементів відповідно, при цьому три датчики фазної напруги навантаження підключено паралельно фазам навантаження, а виходи їх з'єднані з першими входами четвертого, п'ятого і шостого блоків перемножування відповідно, другі входи яких підключені до виходів першого, другого і третього датчиків струму, а виходи четвертого, п'ятого і шостого блоків перемножування підключені до відповідних входів дев'ятого суматора, вхід якого з'єднаний з першим входом блока ділення, крім того, перший вихід блока завдання з'єднаний з підсумовуючим входом четвертого суматора, а другий, третій і четвертий його виходи приєднані відповідно до підсумовуючих входів першого, другого і третього суматорів, при цьому виходи першого, другого і третього релейних елементів через сьомий, восьмий і дев'ятий підсилювачі-формувачі з'єднані із затворами IGBT-транзисторів катодної групи першого мостового перетворювача, затвори IGBT-транзисторів анодної групи якого підключені до виходів першого, другого і третього релейних елементів через десятий, одинадцятий, дванадцятий підсилювачі-формувачі і четвертий, п'ятий і шостий логічні елементи ''НІ'' відповідно. На Фіг.1 наведена схема запропонованого перетворювача частоти струму. На Фіг.2 - процеси, що пояснюють роботу перетворювача частоти струму, де а) при частоті струму в навантаженні fн меншому ніж частота струму в мережі fc , б) при fн  fc , в) при fн  fc . До складу перетворювача частоти струму входить трифазний мостовий перетворювач 1, виконаний на IGBT-транзисторах, конденсатор 2 і датчик 3 його напруги, які з'єднані паралельно і підключені до виходу трифазного мостового перетворювача 1, перший 4, другий 5 і третій 6 дроселі, перший 7, другий 8 і третій 9 датчики струму, трифазний вимикач 10, при цьому виводи змінного струму трифазного мостового перетворювача 1 через відповідні ланцюжки з послідовно з'єднаними дроселями 4, 5, 6 і датчиками струму 7, 8, 9 і трифазний вимикач 10 підключені до відповідних виводів трифазного навантаження 11, перший 12, другий 13 і третій 14 суматори, віднімаючі входи яких приєднані до виходів відповідних датчиків 66076 6 струму 7, 8, 9, перший 15, другий 16 і третій 17 релейні елементи, входи яких з'єднані з виходами відповідних суматорів 12, 13, 14, шість блоків перемножування 18, 19, 20, 21, 22, 23, четвертий 24, п'ятий 25 і шостий 26 релейні елементи, четвертий 27 і п'ятий 28 суматори, блок ділення 29, датчик амплітуди напруги 30, при цьому віднімаючий вхід четвертого суматора 27 з'єднаний з виходом датчика напруги 3 конденсатора 2, а його вихід підключений до першого входу п'ятого суматора 28, другий вхід якого з'єднаний з виходом блока ділення 29, вихід п'ятого суматора 28 підключений до перших входів першого 18, другого 19 і третього 20 блоків перемножування, дванадцять підсилювачів-формувачів 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, четвертий дросель 43 і четвертий датчик струму 44, блок завдання 45, синхронізатор 46 і генератор каліброваних сигналів 47, шостий 48, сьомий 49, восьмий 50 і дев'ятий 51 суматори, п'ятий 52 і шостий 53 дроселі, п'ятий 54 і шостий 55 датчики струму, три датчики 56, 57, 58 фазної напруги навантаження, шість логічних елементів ''НІ'' 59, 60, 61, 62, 63, 64, другий трифазний мостовий перетворювач 65, виконаний на IGBTтранзисторах, відповідні виходи якого через ланцюжки послідовно з'єднаних відповідно четвертого дроселя 43 і четвертого датчика струму 44, п'ятого дроселя 52 і п'ятого датчика 54 струму, шостого дроселя 53 і шостого датчика 55 струму підключені до відповідних виводів трифазної мережі живлення, а вихід другого мостового перетворювача 65 з'єднаний паралельно з конденсатором 2, при цьому до виводів трифазної мережі живлення підключені також відповідні входи датчика 30 амплітуди напруги мережі та відповідні входи синхронізатора 46, виходи якого з'єднані з входами генератора 47 каліброваних сигналів, а вихід датчика 30 амплітуди напруги мережі підключений до другого входу блока ділення 29, при цьому виходи генератора 47 каліброваних сигналів з'єднані з другими входами відповідно першого 18, другого 19 і третього 20 блоків перемножування, виходи яких приєднані до підсумовуючих входів відповідно шостого 48, сьомого 49 і восьмого 50 суматорів, віднімаючі входи яких підключені до виходів відповідно четвертого 44, п'ятого 54 і шостого 55 датчиків струму, а виходи шостого 48, сьомого 49 і восьмого 50 суматорів з'єднані з входами відповідно четвертого 24, п'ятого 25 і шостого 26 релейних елементів, виходи яких через перший 31, другий 32 і третій 33 підсилювачі-формувачі з'єднані із затворами IGBT-транзисторів анодної групи другого мостового перетворювача 65, а затвори ІGBTтранзисторів катодної групи цього мостового перетворювача через четвертий 34, п'ятий 35 і шостий 36 підсилювачі-формувачі і перший 59, другий 60, третій 61 логічні елементи ''НІ'' приєднані також до виходів четвертого 24, п'ятого 25 і шостого 26 релейних елементів відповідно, при цьому три датчики 56, 57, 58 фазних напруг навантаження підключено паралельно фазам навантаження 11, а виходи їх з'єднані з першими входами четвертого 21, п'ятого 22 і шостого 23 блоків перемножування відповідно, другі входи яких підключені до виходів першого 7, другого 8 і третього 9 датчиків струму, 7 66076 а виходи четвертого 21, п'ятого 22 і шостого 23 блоків перемножування підключені до відповідних входів дев'ятого 51 суматора, вихід якого з'єднаний з першим входом блока ділення 29, крім того, перший вихід блока завдання 45 з'єднаний з підсумовуючим входом четвертого 27 суматора, а другий, третій і четвертий його виходи приєднані відповідно до підсумовуючих входів першого 12, другого 13 і третього 14 суматорів, при цьому виходи першого 15, другого 16 і третього 17 релейних елементів через сьомий 37, восьмий 38 і дев'ятий 39 підсилювачі-формувачі з'єднані із відповідними затворами IGBT-транзисторів катодної групи першого мостового перетворювача 1, затвори IGBT-транзисторів анодної групи якого підключені до виходів першого 15, другого 16 і третього 17 релейних елементів через десятий 40, одинадцятий 41, дванадцятий 42 підсилювачіформувачі і через четвертий 62, п'ятий 63 і шостий 64 логічні елементи ''НІ'' відповідно. Перетворювач частоти струму працює таким чином. В основі роботи перетворювача лежить принцип примусового формування синусоїдальних вихідних струмів. Необхідною умовою нормальної його роботи є попередній заряд конденсатора 2 до напруги, що перевищує амплітуду лінійних напруг мережі. UC  UmAB  UmBC  UmCA  . При подачі напруги на затискачі А, В, С зарядка конденсатора відбувається через дроселі 43, 52, 53 і діоди трифазного перетворювача 65. Формування заданих  значень лінійних струмів i , iB , i відбувається таA C ким чином. Синхронізатор 46 виробляє синхроімпульси, які запускають генератор трифазних синусоїдальних сигналів 47 каліброваної амплітуди. Ці сигнали надходять на другі входи блоків перемножування 18, 19, 20. На перші входи цих блоків надходить сигнал з виходу п'ятого суматора 28, який відповідає завданню амплітуд лінійних струмів, що споживаються із мережі Imз . Розрахунок струму відбувається у відповідності з виразом 2Pн Imз  kUcз  UC   (1) 3Umф де Pн - потужність у навантаженні, Umф - амплітуда фазної напруги мережі, k - коефіцієнт підсилення суматора 27. На суматорі 27 здійснюється порівняння заданого значення напруги на конденсатор Ucз , що надходить з блока завдання 45 і дійсної напруги на конденсаторі 2, що надходить з датчика 3. На суматорі 28 підсумовується сигнал, що надходить з суматора 27 і сигнал з виходу блока ділення 29. На блок 29 надходять сигнал, що пропорційний потужності трифазного навантаження 11 з виходу суматора 51, і сигнал Umф з виходу датчика 30 напруги мережі. Сигнал Pн формується у відповідності з Pн  pнA  pнB  pнC (2) 8 де pнA , pнB , pнC - миттєві потужності в фазах навантаження 11. Миттєві потужності pнA , pнB , pнC формуються на виходах блоків перемноження 21, 22 і 23, на входи яких надходять сигнали з виходів датчиків 56, 57, 58 напруги на фазах навантаження 11 і датчиків 7, 8, 9 струмів в фазах навантаження, тобто pнA  uнA  iнA ,pнB  uнB  iнB ,pнC  uнC  iнC . Сигнали з виходів блоків перемноження 18, 19, 20 відповідають заданим значенням фазних  струмів i  Imз  sin t,iB  Imз  sin t  2 ,i    C A 3   4    Imз  sin t   . Ці сигнали надходять на під3   сумовуючі входи суматорів 48, 49, 50, на віднімаючі входи яких надходять сигнали, що пропорційні дійсним фазним струмам i A , iB , iC , з датчиків струму 44, 54 і 55. Сигнали, що пропорційні помилкам відпрацювання фазних струмів  надходять i A  i  i A , iB  iB  iB , iC  i  iC , A C на входи релейних елементів 24, 25, 26, входи яких через підсилювачі-формувачі 31, 32, 33 відповідно з'єднані з затворами IGBT-транзисторів катодної групи перетворювача 65, а затвори IGBTтранзисторів анодної групи з'єднані відповідними виводами релейних елементів 24, 25, 26 через логічні елементи ''НІ'' 59, 60, 61 і підсилювачіформувачі 34, 35, 36. Відпрацювання заданих значень струмів  i , iB , i здійснюються таким чином. Розглянемо, A C  наприклад, інтервал коли i і i - позитивні, а iB A C негативний. В цьому випадку ( 2a - ширина петлі гістеi A  a, iC  a, iB  a резису релейних елементів) і на виходах релейних елементів 24 і 26 з'явиться логічна ''1'', а на виході релейного елемента 25 логічний ''0''. В результаті через підсилювачі-формувачі 31 і 33 включаться транзистори К1, К3 перетворювача 65, а через елемент ''НІ'' 60 і підсилювач-формувач 35 включиться транзистор К5. Напруга конденсатора 2 включається згідно з відповідними лінійними напругами UAB , UCB  , що приведе до зростання по модулю струмів у фазах. Як тільки стане i A  a, iC  a, iB  a релейні елементи 24, 25, 26 перемикаються, що приведе до виключення транзисторів К1, К3, К5 перетворювача 65. При цьому через зворотні діоди цих транзисторів напруга конденсатора 2 включається зустрічно лінійним напругам UAB , UCB , що приведе до зменшення по модулю фазних струмів цих фаз. В подальшому процеси повторюються. На інших  часових інтервалах (i  0, iB  0, i  0) процеси A C протікають аналогічно. Таким чином, підключення напруги конденсатора 2 згідно-зустрічно відповідним лінійним напругам мережі через відповідні транзистори перетворювача 65, забезпечується відпрацювання 9 заданих значень фазних струмів з помилкою в межах ширини петлі гістерезису релейних елементів a    a . При замиканні трифазного вимикача 10 і подачі з другого, третього і четвертого виходів блока завдання 45 струмам в навантаженні заданої амплітуди і частоти, тобто i  Iнз  sin 1t, i  нA нB 2   2     Iнз  sin 1t  ,iнC  Iнз  sin 1t   , на під3  3    сумовуючі входи суматорів 12, 13, 14 відбувається відпрацювання заданих струмів в навантаженні 11. Відпрацювання заданих значень фазних струмів в навантаженні 11 здійснюється так. Наприклад, на інтервалі, коли (i  0,i  0,i  0) , нA нB нC сигнали завдання, що надходять з відповідних виходів блока 45 на суматори 12, 13, 14 порівнюються там з сигналами, що надходять з виходів датчиків 7, 8, 9 фазних струмів навантаження 11, тобто на виходах суматорів 12, 13, 14 будуть сигнали iнA  i  iнA , iнB  i  iнB , iнC  i  iнC . нA нB нC Якщо iнA  a, iнC  a, iнB  a ( 2a - ширина петлі гістерезису релейних елементів 15, 16, 17), то на виходах релейних елементів 15 і 17 буде логічна ''1'', а на виході релейного елемента 16 логічний ''0''. В наслідок цього через підсилювачіформувачі 37 і 39 включаться транзистори К1 і К3 перетворювача 1, а через логічний елемент ''НІ'' 63 і підсилювач-формувач 41 транзистор К5. Напруга конденсатора 2 включається згідно з лінійними напругами UнAB ,UнCB , на навантаженні, що 66076 10 призведе до збільшення струму в фазах навантаження по модулю. Як тільки релейні елементи 15, iнA  a, iнC  a, iнB  a 16, 17 перемикаються, що приведе до виключення транзисторів К1, К3, К5 перетворювача 1. При цьому через зворотні діоди цих транзисторів буде забезпечено замикання електрорушійної сили самоіндукції фаз навантаження з дроселями 4, 5, 6 на напругу конденсатора (зустрічно), що призведе до зменшення фазних струмів навантаження. Аналогічні процеси будуть мати місце на інших інтервалах періоду синусоїдального струму в навантаженні. Таким чином, згідне-зустрічне включення напруги конденсатора 2 по відношенню до напруги навантаження 11 забезпечує відпрацювання струмів i ,i ,i в фазах навантаження із заданою нA нB нC амплітудою і частотою з помилкою в межах ширини петлі гістерезису релейних елементів 15, 16, 17. На Фіг.2 наведені процеси, що відбуваються в перетворювачі частоти при: fн  fc (Фіг.2а), fн  fc (Фіг.2б), fн  fc (Фіг.2в). Таким чином, пропонований перетворювач частоти струму забезпечує формування в навантаженні струмів за формою близької до синусоїдальної, що особливо важливо при живленні асинхронних двигунів, при високому ступені електромагнітної сумісності з мережею і спрощеної силової частини перетворювача і системи керування. 11 Комп’ютерна верстка А. Рябко 66076 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601