Перетворювач частоти струму

Винахід відноситься до електротехніки і може бути використаний в перетворювачах частоти з ланкою постійного струму. Відомий перетворювач частоти, що працює в режимі джерела струму, до складу якого входять шість трифазних мостів, шестиобмотковий дросель [авторское свидетельство СССР №486434, кл. Н02М5/16, 1975.]. Недоліком відомого перетворювача частоти струму є складність його силової частини та системи керування, що обумовлено великою кількістю тиристорів та дроселів. Найбільш близьким за технічним рішенням є перетворювач частоти струму, 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 электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 392с.]. 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. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення перетворювача частоти стр уму, в якому шля хом заміни тиристорів трифазного моста інвертора повністю керованими тиристорами, а також введення додаткових датчиків напруги постійного струму і конденсатора, датчика амплітуди напруги на навантаженні, релейних елементів, суматорів, перемножувачів та блока ділення досягається формування вихідних струмів близьких до синусоїдальної форми, значне підвищення коефіцієнта потужності, збільшення швидкодії перетворювача частоти струму. Поставлена задача вирішується за допомогою того, що в перетворювачі частоти струму, 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, згідно з винаходом другий трифазний мостовий керований перетворювач (автономний інвертор струму) виконаний на повністю керованих тиристорах, а паралельно виходу першого трифазного мостового керованого перетворювача ввімкнений датчик напруги, додатково введені перший, другий та третій датчики лінійних струмів, трифазний вимикач та датчик амплітуди напруги на навантаженні, при цьому перші виводи датчиків струму з'єднані з трифазними виводами другого мостового перетворювача, другі виводи датчиків струму з'єднані з першими виводами вимикача, другі виводи якого з'єднані з трифазним навантаженням, зібраним, наприклад, за схемою зірки, а входи датчика амплітуди напруги на навантаженні з'єднані з другими виводами датчиків струмів, додатково введений трифазний мостовий перетворювач, виконаний на IGBT-транзисторах, при цьому його вхідні затискачі з'єднані з трифазними виходами другого мостового перетворювача, а до його вихідних затискачів під'єднані додатково введені конденсатор та датчик його напруги, додатково введені трифазний задатчик частоти, перший, другий та третій перемножувачі, перші входи яких з'єднані з виходами задатчика частоти, задатчик амплітуди струмів навантаження, вихід якого з'єднаний з другими входами першого, другого та третього перемножувачів, перший, другий та третій суматори, перші входи яких з'єднані з виходами відповідно першого, другого та третього перемножувачів, а другі входи - з виходами відповідно першого, другого та третього датчиків лінійних струмів, перший, другий та третій релейні елементи, входи яких з'єднані з виходами першого, другого та третього перемножувачів, че твертий, п'ятий та шостий перемножувачі, перші входи яких з'єднані з виходами відповідно першого, другого та третього суматорів, а другі - з виходами відповідно першого, другого та третього релейних елементів, четвертий, п'ятий та шостий релейні елементи, входи яких з'єднані з виходами відповідно четвертого, п'ятого та шостого перемножувачів, сьомий, восьмий та дев'ятий релейні елементи, входи яких з'єднані з першими входами відповідно першого, другого та третього перемножувачів, десятий релейний елемент, вхід якого з'єднаний з виходом задатчика амплітуди лінійних струмів, а вихід з системою керування першого трифазного мостового перетворювача, сьомий перемножувач, перший вхід якого з'єднаний з виходом задатчика амплітуди лінійних стр умів, а др угий - з ви ходом датчика амплітуди напруги на навантаженні, блок ділення, перший вхід якого з'єднаний з виходом сьомого перемножувача, а др угий - з виходом датчика напруги на виході першого мостового перетворювача, четвертий суматор, на перший вхід якого подається сигнал завдання на величину напруги на конденсаторі, а другий, віднімаючий, вхід з'єднаний з виходом датчика напруги на конденсаторі, п'ятий суматор перший вхід якого з'єднаний з виходом блока ділення, другий, віднімаючий, вхід - з виходом датчика струму дроселя, а третій - з виходом четвертого суматора, одинадцятий та дванадцятий релейні елементи, входи яких з'єднані з виходом п'я того суматора, логічний пристрій, перший, другий, третій, четвертий, п'ятий, шостий, сьомий, восьмий та дев'ятий входи якого з'єднані з виходами відповідно сьомого, восьмого, дев'ятого, четвертого, п'ятого, шостого, одинадцятого, дванадцятого та десятого релейних елементів, перші шість підсилювачів-формувачів, входи яких з'єднані відповідно з першим, другим, третім, четвертим, п'ятим та шостим виходами логічного пристрою, а виходи - з затворами транзисторів додатково введеного мостового перетворювача, другі шість підсилювачів-формувачів, входи яких з'єднані відповідно з сьомим, восьмим, дев'ятим, десятим, одинадцятим та дванадцятим виходами логічного пристрою, а виходи - з керуючими електродами тиристорів другого мостового перетворювача, що дозволяє сформувати вихідні струми близькі до синусоїдальної форми, підвищити коефіцієнт потужності до одиниці, підвищити швидкодію перетворювача частоти, зробити перетворювач практично нечутливим до різного роду збурень. На Фіг.1 наведена схема запропонованого перетворювача частоти струм у, на Фіг.2 - система керування перетворювачем частоти, на Фіг.3, 4, 5, 6, 7, 8 часові діаграми напруг і стр умів для різних режимів роботи перетворювача частоти. До складу перетворювача частоти струму входить перший трифазний мостовий керований перетворювач 1 з системою керування 2, другий трифазний мостовий керований перетворювач 3, дросель 4, який ввімкнений між катодними виводами першого перетворювача 1 і анодними виводами другого перетворювача 3, датчик струму 5, який ввімкнений між катодними виводами другого перетворювача 3 та анодними виводами першого перетворювача 1, а паралельно виходу першого перетворювача 1 ввімкнений датчик його напруги 6, додатково введені перший 7, другий 8 та третій 9 датчики лінійних струмів, трифазний вимикач 10 та датчик амплітуди напруги на навантаженні 11, при цьому перші виводи датчиків струму 7, 8, 9 з'єднані з трифазними виводами другого мостового перетворювача 3, другі виводи датчиків струму 7, 8, 9 з'єднані з першими виводами вимикача 10, другі виводи якого з'єднані з трифазним навантаженням 12, а входи датчика амплітуди напруги 11 з'єднані з другими виводами датчиків струмів 7, 8, 9, додатково введений трифазний мостовий перетворювач 13, виконаний на IGВТ-транзисторах, при цьому його вхідні затискачі з'єднані з трифазними виходами другого мостового перетворювача 3, а до його вихідних затискачів під'єднані додатково введені конденсатор 14 та датчик його напруги 15, додатково введені трифазний задатчик частоти 16, перший 17, другий 18 та третій 19 перемножувачі, перші входи яких з'єднані з виходами задатчика частоти 16, задатчик 20 амплітуди стр умів навантаження, вихід якого з'єднаний з другими входами першого 17, другого 18 та третього 19 перемножувачів, перший 21, другий 22 та третій 23 суматори, перші входи яких з'єднані з виходами відповідно першого 17, другого 18 та третього 19 перемножувачів, а другі входи - з виходами відповідно першого 7, другого 8 та третього 9 датчиків лінійних струмів, перший 24, другий 25 та третій 26 релейні елементи, входи яких з'єднані з виходами першого 17, другого 18 та третього 19 перемножувачів, че твертий 27, п'ятий 28 та шостий 29 перемножувачі, перші входи яких з'єднані з виходами відповідно першого 21, другого 22 та третього 23 суматорів, а другі - з ви ходами відповідно першого 24, другого 25 та третього 26 релейних елементів, четвертий 30, п'ятий 31 та шостий 32 релейні елементи, входи яких з'єднані з виходами відповідно четвертого 27, п'ятого 28 та шостого 29 перемножувачів, сьомий 33, восьмий 34 та дев'ятий 35 релейні елементи, входи яких з'єднані з першими входами відповідно першого 17, другого 18 та третього 19 перемножувачів, десятий 36 релейний елемент, вхід якого з'єднаний з виходом задатчика 20 амплітуди лінійних стр умів, а ви хід - з системою керування 2 першого 1 трифазного мостового перетворювача, сьомий 37 перемножувач, перший вхід якого з'єднаний з виходом задатчика 20 амплітуди лінійних струмів, а другий - з виходом датчика 11 амплітуди напруги на навантаженні 12, блок ділення 38, перший вхід якого з'єднаний з виходом сьомого 37 перемножувача, а другий - з виходом датчика напруги 6 на виході першого мостового перетворювача 1, четвертий суматор 39, на перший вхід якого подається сигнал завдання на величину напруги на конденсаторі 14, а його другий, віднімаючий, вхід з'єднаний з виходом датчика 15 напруги на конденсаторі 14, п'ятий суматор 40, перший вхід якого з'єднаний з виходом блока ділення 38, другий, віднімаючий, вхід - з ви ходом датчика струму 5 дроселя 4, а третій - з виходом четвертого 39 суматора, одинадцятий 41 та дванадцятий 42 релейні елементи, входи яких з'єднані з виходом п'ятого 40 суматора, логічний пристрій 43, перший, другий, третій, четвертий, п'ятий, шостий, сьомий, восьмий та дев'ятий входи якого з'єднані з виходами відповідно сьомого 33, восьмого 34, дев'ятого 35, четвертого 30, п'ятого 31, шостого 32, одинадцятого 41, дванадцятого 42 та десятого 36 релейних елементів, перші шість підсилювачів-формувачів (4449), входи яких з'єднані відповідно з першим, другим, третім, четвертим, п'ятим та шостим виходами логічного пристрою 43, а виходи - з затворами транзисторів додатково введено мостового перетворювача 13, другі шість підсилювачів-формувачів (50-55), входи яких з'єднані відповідно з сьомим, восьмим, дев'ятим, десятим, одинадцятим та дванадцятим виходами логічного пристрою 43, а виходи - з керуючими електродами тиристорів другого мостового перетворювача 3. Перетворювач частоти працює таким чином. У початковому стані контакти вимикача 10 розімкнені. Робота перетворювача можлива лише при зарядженому конденсаторі 14. Для цього необхідно подати сигнали завдання частоти f з та амплітуди Imз вихідного стр уму перетворювача з задатчиків 16 і 20 відповідно і величини напруги Ucз на конденсаторі 14 на перший вхід суматора 39. Сигнал з виходу задатчика амплітуди 20 через релейний елемент 36 надходить на вхід системи керування 2 мостовим перетворювачем 1, підготовлюючи його до роботи. Сигнал з виходу суматора 39 надходить на третій вхід суматора 40 (сигнали на другому та першому входах при цьому відсутні), з виходу якого через релейні елементи 41 та 42 - на входи 7, 8 логічного пристрою 43. Синусоїдальні сигнали заданої частоти одиничної амплітуди з виходів трифазного задатчика частоти 16 надходять на перші входи перемножувачів 17, 18, 19 відповідно фазам а, b, с. На другі входи перемножувачів надходить сигнал завдання амплітуди Imз . Після перемноження сигналів, що надійшли на входи перемножувачів 17, 18, 19 на їх ви ходах формуються сигнали синусоїдальної форми заданої частоти та амплітуди, які є завданням для релейних регуляторів вихідних струмів перетворювача. Регулятори струму, що зібрані для фази "а" на суматорі 21, перемножувачі 27 та релейних елементах 24 і 30, для фази "b" - відповідно 22, 28, 25, 31, для фази "с" - відповідно 23, 26, 29, 32, формують логічні сигнали на входах 4, 5, 6 логічного пристрою 43. Вихідні сигнали з задатчика частоти 16, що надійшли на перші входи перемножувачів 17, 18, 19, одночасно попадають через релейні елементи 33, 34, 35 відповідно на входи 1, 2, 3 логічного пристрою 43. Логічний пристрій 43 формує на виходах 1¸12 сигнали, які визначаються комбінацією сигналів на входах 1¸9 у відповідності з таблицею 1. Сигнали з виходів 1¸6 через підсилювачі-формувачі 44¸49 подаються на відповідні транзистори перетворювача 13, а сигнали з виходів 7¸12 через підсилювачі-формувачі 50¸55 подаються на відповідні тиристори перетворювача 3. Починається заряд конденсатора 14. Умовою нормальної роботи перетворювача частоти є заряд конденсатора 14 до напруги: { } Uc > UmAB , UmBC , UmCA ; Uc > Udm , де UmAB , UmBC , UmCA - максимально можливі значення амплітуд лінійних напруг на навантаженні 12; Udm - максимальне значення випрямленої напруги на ви ході випрямляча 1. Як тільки заряд конденсатора 14 закінчився (сигнал Uc з датчика 15 напруги конденсатора 14 на другому вході суматора 39 стає рівним сигналу завдання Ucз на першому вході) контакти вимикача 10 замикаються і релейні регулятори вихідних стр умів (в навантаженні 12) разом з датчиками 7, 8, 9 відпрацьовують завдання Іаз , Іbз , Ісз на ці струми, що сформовані перемножувачами 17, 18, 19. При цьому величина струму Id в дроселі 4 визначається величиною сигналу завдання Idз , що формується блоком ділення 38 та перемножувачем 37 у відповідності з балансом потужності в системі "перетворювач частоти-навантаження": 3 3 U I × U mI m = U dI d звідки Id = I dз = × m m . 2 2 Ud Сигнал Um надходить від датчика 11 амплітуди напруги на навантаження 12 на другий вхід блока 37, а сигнал Ud від датчика 6 випрямленої напруги випрямляча 1 на другий вхід блока 38. Як тільки сигнал з датчика 5 випрямленого струму id , що надходить на другий вхід суматора 40 зрівняється з сигналом Idз , релейний регулятор випрямленого струму (40, 41, 42) через комбінацію сигналів входів логічного пристрою 43 підтримує стр ум в дроселі 4 на рівні Idз . При порушенні балансу потужності в системі, яке визване зміненням завдань на частоту і (або) амплітуду струмів навантаження, параметрів навантаження, напруги Ud і ін., блок ділення 38 з перемножувачем 37 автоматично коригують сигнал завдання на величину стр уму в дроселі 4 для відновлення балансу. Одночасно з цим в динаміці регулятор напруги конденсатора 14 (суматор 39) через змінення величини на Uc на другому вході регулятора формує додатковий сигнал коригування величини Idз на третьому вході блока 40, для відновлення напруги конденсатора 14 на заданому рівні, забезпечуючи з однієї сторони працездатність перетворювача, а з другої - захист конденсатора від пробою. В Таблиці 2 наведені характеристики релейних елементів, що входять до складу системи керування перетворювачем. Таблиця 2 Релейний елемент 24, 25, 26 30, 31, 32 33, 34, 35, 36 41 42 Вигляд характеристики При необхідності рекуперації енергії з навантаження 12 через ланку постійного струму (перетворювач 3, дросель 4, перетворювач 1) в живильну мережу, блоком 20 змінюється полярність сигналу завдання на амплітуду Imз струмів в навантаженні і одночасно змінюється стан виходу релейного елемента 36 з "0" на "1", що переводить перетворювач 1 через систему керування 2 в інверторний режим. В основі роботи перетворювача частоти струму лежить принцип примусового формування синусоїдальних вихідних стр умів. В процесі формування струмів у відповідності з алгоритмом керування (табл.1) структура перетворювача визначається комбінацією станів релейних елементів, а змінення структури проходить в момент зміни цих станів. Принцип формування струмів в кожній фазі полягає в тому, що в залежності від комбінації відкритих вентилів мостів 3, 13 до навантаження 12 прикладаються напруги, під дією яких струми в фазах навантаження можуть збільшуватись або зменшуватись аж до досягнення бажаного миттєвого значення, яке визначається миттєвим значенням завдань величин струмів Іаз , Ів з , Ісз . При цьому система керування визначає стан завдань на струми навантаження (входи 1, 2, 3), тенденції змінення величин струмів навантаження (входи 4, 5, 6) і в дроселі 4 (входи 7, 8), а також напрямок передачі енергії - в навантаження або навпаки (вхід 9). На діаграмах, що наведені на Фіг.3,4, 5, показані процеси формування вихідних стр умів перетворювача частоти відповідно при 100гц, 50гц, 10гц. Із діаграм видно, що вихідні струми ia , ів , іс мають форму, близьку до синусоїдальної і співпадають по фазі з відповідними електрорушійними силами (е.р.с.) е а , ев , е с . На Фіг.6 показано процес зменшення амплітуди ви хідних стр умів. При цьому форма струму не змінюється, зберігається і співпадання по фазі струмів з е.р.с. На Фіг.7 показано процес зміни фази струмів по відношенню до роторних е.р.с. при реверсі двигуна (у випадку, коли в якості навантаження є асинхронний двигун з фазним ротором). На Фіг. 8 показано процес формування вихідних струмів при зменшенні напруги Ud . Із діаграм видно, що частота, форма і величина вихідних струмів не змінилась, тобто перетворювач частоти нечутливий до змін напруги живильного джерела. Таким чином, запропонований перетворювач частоти формує вихідні струми практично синусоїдальної форми, має граничну швидкодію, забезпечує високий коефіцієнт потужності і малочутливий до різного роду збурень, що діють на нього.