Преобразователь частоты с рекуперацией энергии в сеть

Союз Советских Социалиетичеаах Реслбликпи 663 О 42 СВМДВТИЛЬ СУЗУ олнительное к авт. свид 21) 1997672/24-072308027/24-07 Заявлено 28,01.(5) М. 2 М 5/443/2 М 5/27 с присоединением заяв осудврютмнный неинтн СССР пю днлаи нзобРнтнннй н отнрытнй(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬЭНЕРГИИИзобретение 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 11, 2, 13, 14.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 напряжения (НИН). ПЧ содержит также блок управления, включающий в себя систему управления выпрямителем, систему управления независимым инвертором и систему управления ведомым инвертором Л, 1, Рекуперация энергии в сеть ц%ХФН нф Ч 1%нческея ф 4 пи т цц 1 АБАСТОТЬ 1 С РЕКУПЕРАЦИЕИСЕТЬ осуществляется через группу обратных вентилей и дополнительный ведомыч инвертор. Напряжения Ц и 11,т в 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 и и /1 управления тиристорами входного выпрямителя и дополнительного ведомого инвертора. Для этого в блоке регулирования ПЧ включены датчики обратных связей по напряжениям 1)д и Ц . Выходы датчиков подключены к управляющим входам суммирующего магнитного усилителя, выход которого соединен со входом блока управления ведомым инвертором 14.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 режимеактивная 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 д и / управления тиристорами входного выпрямителя и дополнительного ведомого инвертора усложняет блок управления известного ПЧ. 5 ВЦель изобретения - упростить преобразователь и уменьшить установленную мощность его оборудования.11 оставленная цель достигается тем, что в предлагаемом преобразователе в качестве независимого инвертора применен инвертор тока, д система управления ведомым ицвер аром выполненная автономной, подклочеца своим входом к источнику постоянного задающего сигнала и детерминирует угол опережения включения вентилей ведомого инвер тора из условия вступления его в раооту 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 и25 напряжений ца отдельных элементах Пс в процессе коммутации.Входной трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель на тиристорах зв 1 - 6 подключен своим входом по пс.ременному току к цитаюшей сети переменно о напряжения постоянной частоты. Общие катоды тиристоров 1, 2, 3 соединены через дроссель 7 фильтра, обладаюций бОльшОЙ индуктивностью, с обццми анодами основных тиристоров 8, 9, 1 О независимоо ицвертора тока с междуфазовой коммутацией. Общие катоды трех других основных тирцсторов 1, 12, 3 инвертора соединень с общими анодами тиристоров 4, 5, 6 входного выпрямителя. Независимый инвертор тока содержит шесть батарей коххутируОпих конденсаторов 14-.19, включенны. соответственно между основными тиристорами 8- 10, 11 - 13 и отсекающими диодами 20-;"-22, 23;25. К выходным зажимам ицвертора полклочеца трехфазная электромашинцая нагруз- ф 5 ка 26 - . 28 переменного тока. Для повыцеция коммутационной устойчивости инвертора при пуске и работе в области низких частот и напряжений к шести зажимам коммутирующих конденсаторов 14- - 19, общим анодам тиристоров 8 - 10 и общим катодам тиристоров 11 - 13 подключены выходы устройства 29 подзаряда коммутирующих конденсаторов, вход которого подключен к питаюцей сети псреме.ного напряжения.Для осуцествления работы независимо го инвертора тока на электромашинную нагрузку преобразователь частоты содержит блок управления 30, состоящий из системы управления входным выпрямителем с диапазоном фазового управления80 эл. грал. 31, системы упрд Вления нсза Висимьм инвертором 32, блока 33 обратной связи по напряжению или ЭДС электромдшины, элемецтд сравнения 34, усилителя 35, блока задания 36. Блок управления обеспечивает двигательный и генераторный режимы работы нагрузки с рекупердцией энергии в сеть путем перевода входного выпрямителя ца тиристорах 1-: - 6 в режим ицвертора, ведомого сетьО, а независимого инверторав реким компенсированного выпрямителя. Для синхронизации работы системы 3 с напряжением сети используется линия связи 37. Дополнительный неупрдв.тяемый выпрямитель ца вентилях 38 в .-43, вход которого по переменному току подключен к выходным зажимам нездсисимОГО НИВс)УО;ц ток 1, д вьход . к колсцсатору 44, лроссель 45 и ведомый иццертор нд тцристорах 46;-51, выхо;ом подключенный через трехфазный согласуюциЙ 1 рацсфор 5 тор 52 к питаюцей сети переменного напряжения используются только для ограничения перецацряжгций на элех ситах преобразователя и на нагрузке.Упр 5 глсс веломым инвертором осуществляетсяя с помошью автономной систеи управления 53. Вход системы хпрдвленця 53 соединен с источником постоянного зада:опего сигнала 54. Линия связи 55 осуцестВляет синхронизацию расоть системы 53 с напр 5 жение.ч ссти.Рассмотриз работу схсы цреОбазователя Истоты в интервале кохутдции основного тиристор независимого ицвертс;рд тока. Предположим, что до момента(ф зг.2) начала коммутации бьли вкл 0 чсны Основные тиристоры 8 и 13 ицвертора. Ток ,Т фиг. 2, а) нагрузки протекает по цепи со-:- диняющей питаюцуО сеть переменного напряжения, один из тирцсторов 13 входного выпрямителя, лросссль 7, тиристор 8 независимого инверторг, отсекдюший диод 20, фазу 26 нагрузки, фазу 28 нагрузки, отсекающий лцол 25, тиристор 13 независимого ицверторд, олин из тиристороз 4- - 6 входцоО выпрямителя, цитдющуо сеть переменного напряжеция. Ток 145556 фц. 2, ег кчерез коммутиру:ощие конденсаторы равен нулю (моент времени 15). Наприке:я .л 4 (фиг. 2, б) на коммутирующем конденсаторе 14 имеет цолярюсть плюс на катоде тиристора 8, минус ца катоде тиристора 9.Выходное 5 апряжение(фиг. 2, д) цезависпмого 1 цвертра тока в первом приближении может быть представлено в виде двух состав,яюцих: синусоилальцого напряженияя основной частоты и коммутационных выбросов, амплитуда которых может в несколько раз превышать амплитуду синусоилального напряжения основной частоты.С помоньО дВтоцомцои системы ОЗправ ления устройством ограничения ерегапря5жений и задающего источника 54 фазовые углы импульсов управления, поступающих на тиристоры 46 в : 51 заданы такой величины, чтобы ток через неуправляемые вентили 38-; - 43 во внекоммутационные интервалы рабочего периода независимого инвертора не протекал как в двигательном, так и5 в генераторном режимах работы электромашинной нагрузки 26 - :28.Предположим далее, что коммутация осуществляется в анодной группе тиристоров независимого инвертора. 10Допустим, что за время коммутации ток в дросселе 7 фильтра не изменяется по своей величине, а тиристоры выключаются мгновенно.Тогда в момент времени 1 г включают тиристор 9, а тиристор 8 выключают. На отсекающий диод 21 поступило обратное напряжение и он закрываетсяПосле выключения тиристора 8 неизменный по величине ток Лд протекает по цеги: питающая сеть переменного напряжения, один из тиристоров 1 в :-3 входного выпрямителя, дроссель 7, тиристор 9, батарея коммутирующих конденсаторов 14 - :16, отсекающий диод 20, фаза 26 нагрузки, фаза 28 нагрузки, отсекающий диод 25, тиристор 13 независимого инвертора, один из тиристоров 4-; - 6 входного выпрямителя, питающая сеть переменного напряжения. Идет процесс перезаряда батареи коммутирующих конденсаторов 14 - :16 постоянным по величине током 34ювследствие чего напряжение 1 А 4 наконденсаторе 14 снижается по линейному закону и в момент времени 15 становится равным нулю. Время, равное (1 з - 1 д ), есть время, предоставляемое для выключения тиристоров независимого инвертора. После момента 1 з напряжение 1.1 меняет полярность 35 и зарядка конденсаторов 14 - ;16 постоянным током продолжается до момента 14. В момент 14 линейное напряжение У Естановится равным по величине и по знаку напряжению Л, 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 3 в фазе 26 спадает, а в фазе 27 возрастает. Линейное напряжение Ци напряжение Ю, продолжают возрастать. 45 Этот процесс продолжается до момента времени 1,. В момент 1;,линейное напряжение 1,становится равным по величине на 2 апряжению на конденсаторе 44, при этом открываются диоды 39, 41 и ток .3 фазы 26 замыкается по цени: фаза 26 нагрузки, фаза 27 нагрузки, диод 39, конденсатор 44, диод 41, фаза 26 нагрузки. Ток Э,через конденсаторы 14, 15, 16 скачком снйкается до нуля, напряжение 11 и на батарее конденсаторов 14, 15, 16 и линейное напряжение Оограничиваются на уровне напряжения на конденсаторе 44. Ток Л2 2фазы 26, замыкаясь через диоды 39, 41 снибжается и в момент времени 1 становится равным нулю. На этом процесс коммутации тока в фазах нагрузки заканчивается. Теперь ток нагрузки протекает по фазам 27 и 28 (момент 1;).Аналогичные процессы происходят и прикоммутациях друтих основных тиристоров независимого инвертора тока. При каждой коммутации избыток энергии, накопленной в индуктивностях рассеяния коммутируемых фаз электромашинной нагрузки 26 - :28, через неуправляемый выпрямитель 38 - ;43, дроссель45, тиристоры 46 - . 51, трансформатор 52 возвращается в питающую сеть. Благодаря специфике работы ведомого инвертора максимальный уровень напряжения на коммутирующих конденсаторах 14 - ;19 не превышает заданное напряжение на конденсаторе 44. На этом же уровне ограничивается напряжение и на основны тиристорах 8 - :13. Максимальный уровень напряжения на отсекающих диодах 20 - ;-25 снижается, так как напряжение на отсекающих диодах суммируется из соответствующего линейного напряжения на выходе независимого инвертора и напряжения на соответствующем коммутирующем 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 38 в : 43 и ведомый инвертор на тиристорах 46 - :-51 поступает мощность, составляющая примерно 10.О,О 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 46 - ;51.Данное изобретение позволяет также существенно снизить установленную мощность коммутирующих конденсаторов, используемых только для выключения тиристоров, и повысить коэффициент полезного действия.формула изобретенияПреобразователь 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 выходнымСоставитель Г, Мыцык Редактор Д. Зубов Техред О.Луговая Корректор А, Гриценко Заказ 2722/56 Тираж 856 Подписное ЦНИИ ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35., Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектная, 4выводам независимого инвертора, а его выход по постоянному току подключен через С 1:фильтр ко входу дополнительного ведомого инвертора, выходом связанного со входом управляемого выпрямителя, и блок управления, содержащий систему управления независимым инвертором, систему управле 5 ния 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. Авторское свидетельство СССР238656, кл. 2 сз, 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 7 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., Эпштейн И. И. Тиристорные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов, Библиотека по автоматике, выпуск 271, Энергия, М., 1968, с. 41. 4. Патент ФРГ2035262, кл. 21 с,12/021972, (прототип).