Пристрій захисту перетворювача частоти

Реферат: Пристрій захисту перетворювача частоти містить інвертор, випрямляч, вихід якого сполучено через резистор з конденсатором, три входи випрямляча є входами перетворювача частоти для підключення мережі живлення, а три виходи інвертора є фазами виходу перетворювача частоти для підключення навантаження. Додатково введено блок живлення та управління, елемент ключовий шестиканальний та послідовно сполучені вузол гальванічної розв'язки, елемент пороговий, елемент затримки, елемент індикаторний. Вхід елемента індикаторного також сполучено з входом ключового шестиканального елемента, шість інших входів якого сполучені з шістьома виходами блока живлення та управління, а шість виходів сполучено з шістьома входами інвертора, сьомий вхід якого сполучено з другим виводом резистора та першим виводом конденсатора, а восьмий вхід сполучено з другим виводом конденсатора та другим виходом випрямляча, перший вихід якого сполучено з вузлом гальванічної розв'язки та входом блока живлення та управління, другий вхід якого сполучено з ланцюгом ПУСК. Другий вивід резистора сполучено з другим входом вузла гальванічної розв'язки, другий вхід елемента порогового сполучено з джерелом постійної вхідної дії. UA 120273 U (12) UA 120273 U UA 120273 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель, яка заявляється, належить до електротехніки і може бути використана для захисту перетворювача частоти при несправності вузла обмеження струму заряду конденсатора згладжувального фільтра ланки постійного струму. Відомо пристрій для захисту перетворювача, що містить датчик робочого параметра перетворювача, блок смугово-проникних фільтрів, перший і другий випрямлячі, пороговий елемент, вихід якого через реле часу підключено до входу вихідного органу, в якому датчик робочого параметра перетворювача виконаний у вигляді датчика напруги, вхід якого призначений для підключення до виходу перетворювача, блок смугово-проникних фільтрів виконаний у вигляді двох смугово-проникних фільтрів, перший з яких налаштований на частоту джерела живлення перетворювача, а другий - на її другу гармоніку, при цьому входи згаданих фільтрів підключені до виходу датчика напруги, а виходи - через відповідні випрямлячі сполучені з входами порогового елемента. Недоліком відомого пристрою є те, що він не забезпечує захист перетворювача частоти при несправності вузла обмеження струму заряду конденсатора фільтра ланки постійного струму [1]. Відомо пристрій перетворювач частоти із захистом, що містить випрямляч, який одним виходом підключений безпосередньо до одного входу інвертора, а іншим через реактор підключений до іншого входу інвертора і одного виводу першого конденсатора фільтра, триобмотковий магнітний елемент, дві обмотки якого, що мають однакове число витків, включено в послідовний ланцюжок, загальний вивід якого призначено для підключення до одного виводу навантаження, а початок і кінець вказаного послідовного ланцюжка зв'язані з фазами інвертора, третя обмотка магнітного елемента підключена до виконавчого елемента, який забезпечений другим конденсатором фільтра, а для магнітного елемента застосований дросель, причому одна фаза інвертора складається з двох послідовно включених керованих вентилів, загальний вивід яких призначений для підключення до іншого виводу навантаження; інша фаза інвертора складається з першого конденсатора фільтра, другий вивід якого підключено на початок послідовного ланцюжка з двох обмоток магнітного елемента, кінець якого через другий конденсатор фільтра підключений до одного виходу випрямляча. Недоліком відомого пристрою є те, що він не забезпечує захист перетворювача частоти при несправності вузла обмеження струму заряду конденсатора фільтра ланки постійного струму [2]. Найбільш близьким до пристрою, який заявляється, є пристрій для захисту статичного перетворювача частоти від перенапруги, що містить ланцюги послідовно сполучених резисторів і конденсаторів, включених в кожну фазу на вході і виході перетворювача, та додатково забезпечений послідовно сполученими ланцюгами з резисторів і конденсаторів, між точками з'єднання яких включений резистор, причому кожен з додаткових ланцюгів підключений до виводів для поєднування до полюсів постійного струму статичного перетворювача частоти. Недоліком відомого пристрою є те, що він не забезпечує захист перетворювача частоти при несправності вузла обмеження струму заряду конденсатора фільтра ланки постійного струму [3]. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення пристрою шляхом введення додаткових елементів, блоків та нових функціональних зв'язків між ними, що підвищує надійність експлуатації та використання перетворювача частоти шляхом запобігання виникнення аварійних режимів при порушенні справності вузла обмеження струму заряду конденсатора фільтра ланки постійного струму. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій захисту перетворювача частоти, що містить інвертор, випрямляч, вихід якого сполучено через резистор з конденсатором, три входи випрямляча є входами перетворювача частоти для підключення мережі живлення, а три виходи інвертора є фазами виходу перетворювача частоти для підключення навантаження, згідно з корисною моделлю, додатково містить блок живлення та управління, елемент ключовий шестиканальний та послідовно сполучені вузол гальванічної розв'язки, елемент пороговий, елемент затримки, елемент індикаторний, вхід якого також сполучено з входом ключового шестиканального елемента, шість інших входів якого сполучені з шістьома виходами блока живлення та управління, а шість виходів сполучено з шістьома входами інвертора, сьомий вхід якого сполучено з другим виводом резистора та першим виводом конденсатора, а восьмий вхід сполучено з другим виводом конденсатора та другим виходом випрямляча, перший вихід якого сполучено з вузлом гальванічної розв'язки та входом блока живлення та управління, другий вхід якого сполучено з ланцюгом ПУСК, другий вивід резистора сполучено з другим входом вузла гальванічної розв'язки, другий вхід елемента порогового сполучено з джерелом постійної вхідної дії. 1 UA 120273 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На кресленні приведена структурна схема пристрою захисту перетворювача частоти. Пристрій захисту перетворювача частоти складається з випрямляча 1, вихід якого сполучено через резистор 2 з виводом конденсатора 3 та сьомим входом інвертора 4, перший та другий виводи резистора 2 сполучено з відповідними входами вузла 5 гальванічної розв'язки, вихід якого сполучено з входом елемента 6 порогового, другий вхід якого сполучено з джерелом постійної вхідної дії Е1, вихід елемента 6 порогового сполучено з входом елемента 7 затримки, вихід якого сполучено з входом елемента 8 індикаторного та з входом ключового шестиканального елемента 9, шість інших входів якого сполучені з шістьома виходами блока 10 живлення та управління, а шість виходів сполучено з шістьома входами інвертора 4, восьмий вхід якого сполучено з другим виводом конденсатора 3 та з другим виходом випрямляча 1, перший вихід якого сполучено також з входом блока 10 живлення та управління, другий вхід якого сполучено з ланцюгом ПУСК. Випрямляч 1 трифазний мостовий забезпечує перетворення трифазної змінної напруги від ланцюгів живлення L1, L2, L3 в постійну та може бути виконаний по схемі Ларіонова, яка складається з шести силових діодних елементів (діодні елементи на кресленні не показані). Резистор 2 має бути сполучений з ланцюгами для шунтування, які на кресленні не приведено, та має постійне значення опору або його опір характеризується негативним температурним коефіцієнтом. Конденсатор 3 фільтра забезпечує згладжування пульсацій випрямляча 1 та накопичення енергії і може бути виконаний з одного або декількох електролітичних конденсаторів. Інвертор 4 є вихідним блоком перетворювача частоти та забезпечує перетворення напруги постійного струму на його вході в напругу змінних значень вихідну трифазну з змінними значеннями частоти та може бути виконаний з використанням силових електронних ключів на основі шести IGBT транзисторів або використанням ІРМ модуля та забезпечує управління навантаженням, що підключають до виводів U, V, W. Для управління інвертором використовується шість сигналів у відповідності до кількості транзисторів. Вузол 5 гальванічної розв'язки забезпечує перетворення вхідної напруги постійного струму в вихідну при заданому коефіцієнті передачі з використанням елементів гальванічної розв'язки на основі оптичних та інших каналів перетворення. Можуть бути використані також оптоелектронні елементи. Елемент 6 пороговий забезпечує формування вихідного високого логічного рівня при умові перевищення значення вхідного сигналу рівня налаштування напруги джерела Е1 постійної вхідної дії та має характеристику: 1 при U5   1, U6  0 при U5   1. Значення рівня Е1 встановлюється при налаштуванні пристрою. Елемент 7 затримки забезпечує формування вихідного сигналу, після зміни вхідного, з затримкою для недопущення випадкового спрацювання пристрою від перешкод та з урахуванням часу до шунтування резистора 2 та може бути виконаний з використанням операційного підсилювача. Настає шунтування резистора 2 з затримкою в відповідності до алгоритму функціонування перетворювача частоти після подачі живлення. Значення затримки встановлюється при налаштуванні пристрою. Елемент 8 індикаторний забезпечує світлову індикацію аварійного стану перетворювача частоти при порушенні справності вузла обмеження струму заряду конденсатора, тобто резистора 2 або ланцюга та елементів його шунтування, які на кресленні не показано. Ключовий шестиканальний елемент 9 забезпечує підключення шести виходів блока 10 живлення та управління до відповідних шести входів інвертора 4 при низькому логічному рівні сигналу на першому вході (U7=0) та може бути виконаний у вигляді шестиканального електронного ключа, а розмикання зазначених ланцюгів відбувається при високому логічному рівні та має характеристику: i U10 при U7  0 , 0 при U7  1. Блок 10 живлення та управління входить в склад перетворювача частоти та формує сигнали по визначеному алгоритму для управління інвертором 4 по сигналу ПУСК високого логічного рівня, який подається на другий вхід блока 4 живлення та управління, що забезпечує перехід перетворювача частоти з режиму очікування в робочий режим. Перехід перетворювача частоти назад в режим очікування виконується сигналом ПУСК низького логічного рівня. Живлення всіх вузлів блоків 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 перетворювача частоти забезпечується від імпульсного вузла блока 4, який формує необхідні вторинні напруги та має вхідне живлення від постійної напруги Ui9  2 UA 120273 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 випрямляча 1. Ланцюги живлення всіх вузлів блоків 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 перетворювача частоти на кресленні не показано. Навантаженням перетворювача частоти може бути електродвигун трифазний, який підключають до ланцюгів виходів U, V, W інвертора 4. Ланцюги мережевого живлення, які підключають до входів L1, L2, L3 та навантаження перетворювача частоти, на кресленні не показано. Використання резистора 2 для обмеження струму заряду конденсатора 3 є загальноприйнятою практикою. У цих застосуваннях конденсатори ланки постійного струму використовуються для згладжування пульсацій напруги, а також накопления та зберігання енергії. При розробці частотних перетворювачів (ПЧ), драйверів управління електродвигунами виникає проблема з вузлом обмеженням зарядного струму згладжуючого конденсатора великої ємності, встановленого на виході мережевого випрямляча 1 на шинах живлення інвертора 4. Часто розробником період заряду ємності фільтра недооцінюється або просто ігнорується. Причина такого відношення в стійкості діодів і транзисторів до ударних струмів, що виникають при заряді конденсатора. Для того, щоб уникнути неприпустимо великих пікових струмів при заряді конденсатора 3, використовується послідовно включений струмообмежувальний резистор 2. Цю функцію часто виконують фіксований резистор або резистор з негативним температурним коефіцієнтом. Вузли обмеження зарядного струму конденсаторів мають в своєму складі додаткові елементи комутації, які на кресленні не показано, та вимагають певного алгоритму включення пристрою. Після заряду конденсатора 3 струмообмежуючий резистор 2 шунтується за допомогою реле, що спрацьовує або за часом, або досягши напруги 95 % від максимального зарядного рівня, і далі відбувається підключення навантаження. Це дозволяє уникнути втрат енергії в стаціонарному режимі роботи ПЧ. Значення опору резистора 2 визначається значенням напруги, до якої може зарядитися конденсатор 3, перед подачею сигналу ПУСК. За відсутності аварійних ситуацій комбінації постійного резистора і реле цілком достатньо для обмеження зарядного струму. Проте таке рішення пов'язане з ризиками при виникненні несправностей в момент або після зарядки конденсаторів, наприклад, замикання конденсатора або вихід з ладу реле та його ланцюгів приводять до того, що через постійний струмообмежуючий резистор 2 протягом тривалого часу протікає великий струм і виділяється багато тепла, це може вивести з ладу як сам резистор, так і інші елементи та вузли перетворювача частоти. Для того, щоб уникнути небажаних наслідків запропоновано цей пристрій. Прийняті позначення U in - амплітуда сигналу на і-му виході n-го блока. Працює пристрій наступним чином. Для запуску ПЧ після попереднього підключеного навантаження (електродвигун) до його ланцюгів L1, L2, L3 подається напруга від мережі живлення. Змінна трифазна напруга проходить через випрямляч 1, на виході його з'являється пульсуюча напруга постійного струму, яка подається на блок 10 живлення та управління, а також через резистор 2 проходить заряд конденсатора 3, який є згладжувальним фільтром та далі подається на інвертор 4. Живлення всіх вузлів блоків 4 -МО перетворювача частоти забезпечується від імпульсного вузла живлення блока 10 живлення та управління, який формує необхідні вторинні напруги, ланцюги живлення всіх вузлів на кресленні не показано. Через час затримки, який визначається алгоритмом роботи ПЧ, резистор 2 шунтується контактами реле, яке на кресленні не показано. Перетворювач частоти знаходиться в режимі очікування. Розглянемо ситуацію роботи пристрою при справному вузлі обмеження струму заряду конденсатора. Після подачі живлення до ланцюгів LI, L2, L3 падіння напруги на резисторі 2 при заряді конденсатора 3 подається на вузол 5 гальванічної розв'язки, а далі з його виходу на елемент 6 пороговий, який забезпечує формування вихідного високого логічного рівня, так як вхідний сигнал U5 перевищує значення рівня налаштування напруги джерела Е1 постійної вхідної дії відповідно до характеристики: 1 при U5   1, U6  0 при U5   1. Сигнал U6=1 з виходу елемента 6 порогового подається на елемент 7 затримки та починає формувати час затримки, який встановлений більшим часу затримки на шунтування резистора 2 вузлом обмеження струму заряду конденсатора 3. Вихідний сигнал елемента 7 затримки низького логічного рівня подається на елемент 8 індикаторний, який при U7=0 цьому не має світлової індикації, а також на ключовий шестиканальний елемент 9, який залишається замкнутим, так як має характеристику: 3 UA 120273 U i U10 при U7  0 , 0 при U7  1 при справному вузлі обмеження струму заряду конденсатора, відбувається шунтування резистора 2, сигнал елемента 7 затримки залишається в низькому логічному рівні. Подається сигнал ПУСК високого логічного рівня і перетворювач частоти переходить в робочий режим, при цьому сигнали з шести виходів блока 10 живлення та управління подаються через шість замкнутих ключів блока ключового шестиканального елемента 9 на інвертор 4 і електродвигун починає розгін до значення швидкості, яке задане в блоці 10 живлення та управління. Зупинка електродвигуна та перехід перетворювача частоти в режим очікування виконується сигналом ПУСК низького логічного рівня, при цьому сигнали з шести виходів блока 10 живлення та управління дорівнюють нулю та далі проходять, аналогічно, розглянутому робочому режиму. Розглянемо ситуацію роботи пристрою при несправному вузлі обмеження струму заряду конденсатора. Несправність може бути в випадках збільшення опору між контактами реле для шунтування резистора 2, неробочому стані реле шунтування та порушенні живлення в його ланцюгах. Реле для шунтування та ланцюги його контактів не приведено накресленні. Після подачі живлення до ланцюгів L1, L2, L3 змінна трифазна напруга проходить через випрямляч 1, на виході його з'являється пульсуюча напруга постійного струму, яка подається на блок 10 живлення та управління, а також через резистор 2 забезпечує заряд конденсатора 3 та далі подається на інвертор 4. Падіння напруги на резисторі 2 при заряді конденсатора 3 подається на вузол 5 гальванічної розв'язки, а далі з його виходу на елемент 6 пороговий, який забезпечує формування вихідного високого логічного рівня, так як вхідний сигнал Us перевищує значення рівня налаштування напруги джерела Е1 постійної вхідної дії, відповідно до характеристики: 1 при U5   1, U6  0 при U5   1. Сигнал з виходу елемента 6 порогового подається на елемент 7 затримки, який починає формувати час затримки на шунтування резистора 2 вузлом обмеження струму заряду конденсатора 3. В даній ситуації вихідний сигнал елемента 7 затримки стане високого логічного рівня. Цей сигнал U7=1 подається на елемент 8 індикаторний, на якому з'явиться світлова індикація аварійного стану, а також на ключовий шестиканальний елемент 9, який розмикається, так який має характеристику: Ui9  5 10 15 20 25 i U10 при U7  0 , 0 при U7  1, при цьому сигнали з шести виходів блока 10 живлення та управління не можуть подаватися через шість ключів ключового шестиканального елемента 9 на шість входів інвертора 4 і робота перетворювача частоти блокується, так як при подачі сигналу ПУСК високого логічного рівня на шести виходах ключового шестиканального елемента 9 дорівнює нулю, перетворювач частоти залишається в режимі очікування. Подальша робота перетворювача частоти можлива після усунення несправності. Запропонований пристрій захисту перетворювача частоти дозволяє його удосконалити, що підвищує надійність експлуатації шляхом запобігання виникнення аварійних режимів при несправності вузла обмеження струму заряду конденсатора фільтра ланки постійного струму тобто запобігання включення навантаження при виході з ладу резистора, елементів для його шунтування. Джерела інформації: 1. Авторское свидетельство СССР № 1292101. "Устройство для защиты преобразователя". МПК Н02Н7/12. Производственное объединение "Уралэле-ктротяжмаш" им. В.И. Ленина. Опубл. 23.02.87. 2. Авторское свидетельство СССР № 1684883. "Преобразователь частоты с защитой". МПК Н02М 5/27, Н02Н 7/10. Истринский филиал Всесоюзного электротехнического института им. В.И. Ленина. Опубл. 15.10.91. 3. Авторское свидетельство СССР № 864419. "Устройство для защиты статического преобразователя частоты от перенапряжений". МПК Н02Н 7/10. Государственный научноисследовательский институт имени Г.М. Кржижановского. Опубл. 15.09.81. Ui9  30 35 40 45 50 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 Пристрій захисту перетворювача частоти, що містить інвертор, випрямляч, вихід якого сполучено через резистор з конденсатором, три входи випрямляча є входами перетворювача 4 UA 120273 U 5 10 частоти для підключення мережі живлення, а три виходи інвертора є фазами виходу перетворювача частоти для підключення навантаження, який відрізняється тим, що додатково містить блок живлення та управління, елемент ключовий шестиканальний та послідовно сполучені вузол гальванічної розв'язки, елемент пороговий, елемент затримки, елемент індикаторний, вхід якого також сполучено з входом ключового шестиканального елемента, шість інших входів якого сполучені з шістьома виходами блока живлення та управління, а шість виходів сполучено з шістьома входами інвертора, сьомий вхід якого сполучено з другим виводом резистора та першим виводом конденсатора, а восьмий вхід сполучено з другим виводом конденсатора та другим виходом випрямляча, перший вихід якого сполучено з вузлом гальванічної розв'язки та входом блока живлення та управління, другий вхід якого сполучено з ланцюгом ПУСК, другий вивід резистора сполучено з другим входом вузла гальванічної розв'язки, другий вхід елемента порогового сполучено з джерелом постійної вхідної дії. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5