Перетворювач частоти струму

Реферат: Перетворювач частоти струму, до складу якого входять трифазний мостовий перетворювач, виконаний на IGBT-транзисторах, конденсатори, датчики напруги, датчики струму, дросель, три активно-індуктивних навантаження, суматори, блок завдання, релейні елементи, підсилювачіформувачі, логічні елементи НІ, блок перемноження, фази навантаження та затискачі. UA 94242 U (54) ПЕРЕТВОРЮВАЧ ЧАСТОТИ СТРУМУ UA 94242 U UA 94242 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки і може бути використана для живлення споживачів, що потребують регулювання частоти струму. Відомий перетворювач частоти, 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) Н02М5/02, Бюл. № 7, 2007 р.]. Недоліком відомого перетворювача частоти є складність, що обумовлена наявністю трьох трифазних мостових перетворювачів з системами керування, які реалізують складний алгоритм керування перетворювача в цілому, а також низька електромагнітна сумісність перетворювача з живильною мережею. Найбільш близьким за технічним рішенням є перетворювач частоти, що містить 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 підсилювачівформувачів, четвертий дросель і четвертий датчик струму, 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 IGBTтранзисторах, 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 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 IGBT-транзисторів 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, 1 UA 94242 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 підсилювачіформувачі з'єднанні 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 підсилювачіформувачі і четвертий, п'ятий і шостий логічні елементи НІ відповідно [Патент на винахід UA № 66076, МПК (2006) Н02М5/02, Бюл. № 24, 2011 р.]. Недоліком відомого перетворювача частоти є складність, що обумовлена наявністю двох трифазних мостових перетворювачів і відповідно збільшеної кількості допоміжних датчиків напруги та струму, релейних і логічних елементів. В основу корисної моделі поставлена задача спрощення перетворювача частоти, що досягається зменшенням вдвічі кількості силових транзисторів, включенням другого конденсатора, а також спрощенням системи керування. Поставлена задача вирішується тим, що перетворювач частоти, до складу якого входять трифазний мостовий перетворювач, виконаний на JGBT-транзисторах, конденсатор, два датчики напруги, перший із яких підключено до виходу трифазного мостового перетворювача, а другий - до однофазної мережі змінної напруги, три датчики струму, дросель, три активноіндуктивних навантаження, з'єднаних зіркою (наприклад обмотки статора асинхронного двигуна), дві фази яких через датчики струму з'єднані з двома входами трифазного мостового перетворювача, п'ять суматорів, віднімаючі входи першого і другого суматорів з'єднані з виходами першого та другого датчиків струму відповідно, блок завдання, перший та другий виходи якого підключені до підсумовуючих входів відповідно першого та другого суматорів, а третій і четвертий виходи - до підсумовуючих входів третього та четвертого суматорів, три релейних елементи, при цьому входи першого та другого релейних елементів з'єднані з виходами першого та другого суматорів відповідно, шість підсилювачів-формувачів, входи першого та другого з'єднані з виходами першого та другого релейних елементів, а виходи - з затворами транзисторів катодної групи першої та другої фаз мостового перетворювача, три логічних елементи НІ, входи першого та другого з'єднані з виходами першого та другого релейних елементів, а виходи - з входами третього та четвертого підсилювачів-формувачів, а виходи яких з затворами транзисторів анодної групи першої та другої фаз мостового перетворювача, послідовно з'єднані дросель і третій датчик струму, вільний затискач якого з'єднаний з першими затискачами мережі та другого датчика напруги, вихід третього датчика струму підключено до віднімаючого входу п'ятого суматора, блок перемноження, перший вхід якого з'єднаний з виходом другого датчика напруги, а другий вхід - з виходом четвертого суматора, вихід блока перемноження з'єднаний з підсумовуючим входом п'ятого суматора, вихід якого з'єднаний з входом третього релейного елемента, вихід якого з'єднаний з входом шостого підсилювача-формувача, а вхід п'ятого підсилювача-формувача з виходом третього логічного елемента, вхід якого з'єднаний з виходом третього релейного елемента, а виходи п'ятого та шостого підсилювачів-формувачів з'єднані з затворами транзисторів катодної і анодної груп третьої фази мостового перетворювача відповідно, згідно з корисною моделлю, додатково введено другий конденсатор, з'єднаний послідовно з першим конденсатором, точка з'єднання яких підключена до третьої фази навантаження і до дроселя, а третій вхід трифазного мостового перетворювача з'єднаний з другими затискачами мережі та другого датчика напруги. На фіг. 1 представлена схема запропонованого перетворювача частоти струму. На фіг. 2 наведено результати моделювання: а) в режимі рівності частоти струмів мережі та навантаженнях fн=fc, б) в режимі fн>fc, в) в режимі fнUm (необхідна умова для відслідковування струмом мережі струму завдання iз). Процес формування струму завдання із відбувається таким чином. З датчика напруги мережі 4 на перший вхід блока перемноження 30 надходить одиничний синусоїдальний сигнал синфазний з напругою мережі. На другий вхід блока 30 надходить сигнал з виходу суматора 15. Який відповідає амплітудному значенню І mз синусоїдального струму із. Цей сигнал формується з двох складових: сигналу I mн з блока завдання 17 і сигналу з суматора 14, на віднімаючий вхід якого надходить сигнал з виходу датчика напруги 8, а на підсумовуючий - сигнал з виходу блока 17 (сигнал завдання U Сз напруги конденсаторів 2 і 31). Сигнал з виходу суматора 14 здійснює корегування амплітуди І mз в залежності від знака ΔUС=UСз-(UС1+UС2). Тобто цей сигнал забезпечує таке значення І mз, при якому виконується рівність потужності, що споживається з мережі та потужності навантаження Р н. Сигнал iз= Іmз sin ωt з виходу блока 30 надходить на підсумовуючий вхід суматора 16, на віднімаючий вхід якого надходить сигнал пропорційний дійсному струму мережі з виходу датчика струму 7 мережі. Сигнал Δі=iз-і з виходу суматора 16 надходить на вхід релейного елемента 20, вихід якого через підсилювач-формувач 26 підключено до затвору транзистора К6 і через елемент "НІ" 29 і підсилювач-формувач 25 до затвору транзистора К5. Відпрацювання струму завдання iз відбувається таким чином. Розглянемо, наприклад, інтервал, коли iз>0, Δі>а, де 2а - ширина петлі гістерезису релейного елемента 20. На виході релейного елемента 20 з'явиться "одиниця", а на виході логічного елемента 29 "нуль". Сигнал "одиниця" через підсилювач-формувач 26 відкриє транзистор К6. При цьому напруга на конденсаторі 31 включається згідно з напругою мережі, що призведе до зростання струму і. Як тільки Δі=-а, релейний елемент 20 перемикається, транзистор К6 закривається. При цьому через зворотній діод транзистора К5 напруга конденсатора 2 включається зустрічно напрузі мережі, що призведе до зменшення струму мережі. В подальшому процес відпрацювання позитивної півхвилі струму iз буде повторюватися. Аналогічно буде відпрацьовуватися негативна півхвиля струму iз (iз0 і iCз>0. Сигнали, що надходять з блока 17 на суматори 12 і 13, порівнюються з сигналами, що надходять з виходів датчиків 5 і 6 фазних струмів навантаження 9 і 11. На виході суматорів 12, 13 будуть сигнали ΔіА=іАз-іА, ΔіС=іСз-іС. Якщо ΔіА>b, ΔіС>b (2b - ширина петлі гістерезису релейних елементів 18 і 19), то на виходах релейних елементів 18 і 19 будуть "одиниці". Внаслідок цього через підсилювачі-формувачі 21 і 22 відкриваються транзистори К2 і К4 перетворювача 1. Напруга конденсатора 31 включається згідно з струмами в фазах А і С, що призведе до зростання струмів і А, іС. Як тільки ΔіА=-b, ΔіC=-b релейні елементи 18 і 19 перемикаються і транзистори К2, К4 закриваються, напруга конденсатора 31 відключається від навантажень 9, 10, 11. При цьому через зворотні діоди транзисторів К1 і К3 і конденсатор 2 буде забезпечено замикання ЕРС самоіндукції навантажень 9, 10, 11 що призведе до зменшення струмів в навантаженнях (напруга на конденсаторі 2 зустрічно ЕРС самоіндукції). В подальшому процеси повторюються. Аналогічні процеси будуть відбуватися і на других часових інтервалах періоду синусоїдальних струмів в фазах навантаження. Відмінність полягає лише в тому, що на позитивній півхвилі працюють транзистори К2 і К4 та конденсатор 31 (згідне включення і зворотні діоди транзисторів К1, К3, конденсатор 2 (зустрічне включення). На негативній півхвилі струмів працюють транзистори К1, К3, конденсатор 2 (згідне включення) і зворотні діоди транзисторів К2, К4, конденсатор 31 (зустрічне включення). Таким чином, наведені осцилограми підтверджують працездатність запропонованого перетворювача частоти струму, його нечутливість до дії збурень і високий ступінь електромагнітної сумісності з мережею (cosφ=1, коефіцієнт потужності близький до одиниці, χ1), при значно спрощених силової частини та системи керування. навантаженнях 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 заданої амплітуди і частоти ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Перетворювач частоти струму, до складу якого входять трифазний мостовий перетворювач, виконаний на IGBT-транзисторах, конденсатор, два датчики напруги, перший із яких підключенo до виходу трифазного мостового перетворювача, а другий - до однофазної мережі змінної напруги, три датчики струму, дросель, три активно-індуктивних навантаження, з'єднаних зіркою (наприклад обмотки статора асинхронного двигуна), дві фази яких через датчики струму з'єднані з двома входами трифазного мостового перетворювача, п'ять суматорів, віднімаючі входи першого і другого суматорів з'єднані з виходами першого та другого датчиків струму відповідно, блок завдання, перший та другий виходи якого підключені до підсумовуючих входів відповідно першого та другого суматорів, а третій і четвертий виходи - до підсумовуючих входів третього та четвертого суматорів, три релейних елемента, при цьому входи першого та другого релейних елементів з'єднані з виходами першого та другого суматорів відповідно, шість підсилювачів-формувачів, входи першого та другого з'єднані з виходами першого та другого релейних елементів, а виходи - з затворами транзисторів катодної групи першої та другої фаз мостового перетворювача, три логічних елементи НІ, входи першого та другого з'єднані з виходами першого та другого релейних елементів, а виходи - з входами третього та четвертого підсилювачів-формувачів, а виходи яких з затворами транзисторів анодної групи першої та другої фаз мостового перетворювача, послідовно з'єднані дросель і третій датчик струму, вільний затискач якого з'єднаний з першими затискачами мережі та другого датчика напруги, вихід третього датчика струму підключенo до віднімаючого входу п'ятого суматора, блок перемноження, перший вхід якого з'єднаний з виходом другого датчика напруги, а другий вхід з виходом четвертого суматора, вихід блока перемноження з'єднаний з підсумовуючим входом п'ятого суматора, вихід якого з'єднаний з входом третього релейного елемента, вихід якого з'єднаний з входом шостого підсилювача-формувача, а вхід п'ятого підсилювача-формувача з виходом третього логічного елемента, вхід якого з'єднаний з виходом третього релейного елемента, а виходи п'ятого та шостого підсилювачів-формувачів з'єднані з затворами транзисторів катодної і анодної груп третьої фази мостового перетворювача відповідно, який відрізняється тим, що додатково введено другий конденсатор, з'єднаний послідовно з першим 4 UA 94242 U конденсатором, точка з'єднання яких підключена до третьої фази навантаження і до дроселя, а третій вхід трифазного мостового перетворювача з'єднаний з другими затискачами мережі та другого датчика напруги. 5 UA 94242 U 6 UA 94242 U Комп’ютерна верстка М. Шамоніна 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 7