Устройство для управления преобразователем частоты

(51) 5 Н 02 М 7 5 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ игна прями- обратОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Саратовский политехнический институ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для создания источников электропитания на повышенных частотах. Цель изобретения - повышение надежности. С этой целью компаратор 41 вырабатывает с л логической 1 при опорном напряжении источника 29 больше. сигнала с вы теля 32 и сигнал логического О при1629953 510 ном соотношении сигналов. Указанные сигналы поступают на формирователь узких импульсов, выходные сигналы которого подаются на Я-вход триггера 43, на Я-вход которого подаются синхроимпульсы задающего генератора 14. Описанные сигналы, а также сигнал с выхода генератора 14, задержанный элементом 42 задержки, поступают на три входа элемента 4 И 45, на четвертый вход которого подается сигнал на разрешение работы цепи быстродействующей защиты с порогового элемента 36. По приИзобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано для создания источников электропитания на повышенных частотах.Целью изобретения является повышение надежности.На фиг. 1 показана схема устройства; на фиг, 2 - временные диаграммы, поясняющие работу цепи быстродействующей защиты преобразователя.Преобразователь частоты содержит трехфазные тиристорные мосты 1 и 2, выводы постоянного тока которых через сглаживающие дроссели 3 и 4 и 1.С-фильтры 5 и 6 соответственно подключены к выводам соответствующих регуляторов 7 и 8, а выводы переменного тока соединены между собой через конденсаторы 9 и через соответствующие дроссели0 и 11 - с выводами переменного тока соответствующих мостов обратных диодов 12 и 13, выводы постоянного тока которых в обратной полярности подключены к выводам постоянного тока указанных инверторных мостов. Устройство для управления преобразователем частоты содержит задающий генератор 14, выход которого соединен с управляющим входом моста 1 и через фазосдвигающий узел 15 - с управляющим входом моста 2, датчики 16 и 17 тока в цепях питания мостов 1 и 2, узлы 18 - 20 сравнения сигналов, усилители 21 и 22, блоки 23 и 24 управления регуляторами, сумматоры 25 - 27, источники 28 и 29 опорного напряжения, датчик 30 выходного напряжения, трансформаторы 31 тока, выпрямитель 32, фильтр 33, делитель 34 напряжения, пороговые элементы 35 и 36, коммутаторы 37 - 40, компаратор 41, элемент 42 задержки, Я 5-триггеры 43 и 44, элементы 4 И 45, 2 И 46 и ИЛИ 47, формирователь 48 узких импульсов, в цепь питания моста 2 включен в прямом направлении диод 49,При этом входы узла 18 сравнения подключены к выходам датчиков 16.и 17 тока, а выход через коммутатор 38 соединен с вхо 20 25 30 35 40 45 50 55 ходе импульса с выхода элемента 42 на третий вход элемента 45 последний перебрасывает триггер 44. Сигналы с его выходов поступают на управляющие входы коммутаторов 39 и 40, что приводит к закорачиванию входов блоков 23 и 24 управления регуляторов 7 и 8 напряжения. Таким образом происходит отключение силовой части преобразователя от источника питания за 1/6 часть периода выходного напряжения. За это время аварийный ток не успевает нарасти до опасных пределов. 2 ил. дами усилителей 21 и 22, выходы которых подключены к первому входу соответствующего сумматора 25 и 26, вторые входы которых объединены между собой и подключены к выходу узла 19 сравнения, выходы сумматоров 25 и 26 через соответствующие коммутаторы 40 и 39 подключены к входам соответствующих блоков 23 и 24 управления, регуляторами и 8. Один из входов узла 19 сравненйя подключен к источнику 28 опорного напряжения, другой вход объединен с первым входом узла 20 сравнения и подключен к выходу датчика 30 напряжения, вход которого соединен с выводами переменного тока тиристорных мостов 1 и 2, выход узла 20 сравнения соединен с управляющим входом фазосдвигающего узла 15, а второй вход узла 20 через коммутатор 37 подключен к выходу делителя напряжения, вход которого через фильтр 33 и выпрямитель 32 соединены с информационными выводами трансформаторов 31 тока, включенных в цепь дросселей 10. Выходы датчиков 16 и 17 тока, подключены также к входам сумматора 27, выход которого подключен к входам пороговых элементов 35 и 36, выход первого из которых соединен с управляющими входами коммутаторов 37 и 38, и через элемент 2 И 46 - с управляющим входом коммутатора 39, выход порогового элемента 36 соединен с четвертым входом элемента 4 И 45, третий вход которого через элемент задержки. соединен с выходом задающего генератора 14 и 5-входом Ю-триггера 43, выход Я которого соединен с вторым входом элемента 4 И 45, а Я-вход через формирователь 48 узких импульсов - с первым входом элемента 4 И 45 и выходом компаратора 41, прямой вход которого подключен к источнику 29 опорного напряжения, а инверсный вход соединен с выходом выпрямителя 32. Выход элемента 4 И 45 соединен с одним из входов элемента ИЛИ 47, другой вход которого является управляющим входом выключением преобразователя, а выход подклю 1629953чен к 5-входу Ю-триггера 44, Я-вход которого является управляющим входом включением преобразователя, выход Я соединен с управляющим входом коммутатора 40, а выход Я через второй вход элемента 2 И 46 - с управляющим входом коммутатора 39.Один вариант реализации регуляторов 7 и 8 - управляемые выпрямители, выполненные по симметричной или несимметричной схемам. В этом случае блоки 23 и 24 управления могут быть построены по известным схемам импульсно-фазового управления. Питание выпрямителей в регуляторах 7 и 8 может осуществляться, например, через согласующий трансформатор с двумя вторичными обмотками. Другой возможный вариант реализации регуляторов 7 и 8 - импульсные преобразователи постоянного напряжения.Преобразователь частоты обеспечивает хорошее качество- кривой выходного напряжения с высокой степенью его стабилизации при изменении параметров нагрузки в широких пределах. Устройство для управления преобразователем частоты позволяет производить перестройку структуры его силовой части в зависимости от величины нагрузки, Силовая часть преобразователя имеет две секции, каждая из которых содержит регулятор постоянного напряжения, сглаживающий фильтр и инвертор тока с вентильно-реакторными цепями компенсации избыточной реактивной мощности коммутирующих конденсаторов. Верхняя по схеме секция является ведущей, которая во включенном состоянии осуществляет преобразование электроэнергии одной частоты . в электроэнергию другой частоты. Нижняя секция - ведомая, которая в зависимости от фазы управляющих импульсов моста 2 может работать как в режиме генерации активной энергии в сеть непромышленной частоты, так и в режиме компенсации реактивной мощности. Если нагрузка преобразователя, оцениваемая по величине токов в цепях питания мостов, не меньше половины номинальной, то обе секции включаются на параллельную работу. В этом случае они осуществляют преобразование постоянных напряжений, подаваемых с выходов регуляторов 7 и 8 через фильтры 6 и 5 на входы мостов 1 и 2, а трехфазное переменное напряжение заданной частоты. При нагрузке преобразователя, меньшей . половины номинальной, регулятор 8 второй секции запирается, а тиристорный мост 2 с диодным мостом 13 и дросселями 11 переводится в режим компенсации избыточной реактивной мощности коммутирующих конденсаторов 9.В любом случае реализации регуляторов 7 и 8 выходное напряжение lф (1=1, 2) соответствующего регулятора является монотонно возрастаюшец функцией параметра цна управляющем входе блока управления, причем Ц=О при р=О. Управляющие воздеиствия р 1 и ц формируются сумматорами 25 и 26. При этом, если сумма токов Ъ и Ы. потребляемых мостами 1 и 2 больше, чем номинальное зна чение тока Ано. каждого из мостов, тор=Ц, - ос(/вы. - 1 Дд., - 7 ф);р,=Я - осЦвы. + фд(, - .7 фо),где Ц, - напряжение источника 28 опорного напряжения;йод - коэффициент передачи датчика 30 выходного напряжения;Ь - коэффициент передачи канала,включающего датчик 16 (17) 15 тока и усилитель 21 (22);7 д,ь 7 Ф - средние значения токов, потребляемых соответственно мостами 1 и 2.Если нагрузка преобразователя такова,что20р=(4 - Ь Ур,.=О.Последнее условие достигается отключе нием управляющего входа блока 24 от выхода сумматора 26 с последующим его закорачиванием. В силу указанного принципа построения регуляторов 7 и 8 напряжение 06 становится равным нулю.Включение преобразователя частоты для 30централизованного электроснабжения осуществляется, как правило, на холостом ходу, и в дальнейшем производится подключение потребителей. При включении преобразователя на Я-вход Я 5-триггера 44 подается сигнал единичного уровня, который устанавливает на выходах Я и Я соответственно нулевой и единичный уровни Црм и Цд, первый из которых, поступая на управляющий вход коммутатора 40, подает команду на подключение выхода сумматора 25 к вхо ду блока 23 управления, а второй, поступаяна один из входов элемента 2 И 46, разрешает прохождение сигнала любого уровня с выхода порогового элемента 35 на управляющий вход коммутатора 39. Таким образом, в начальный момент работы преобразова теля коммутаторы 37 - 40 находятся в положении, указанном на схеме, т.е. коммутатор 37 соединяет выход делителя 34 с инверсным входом узла 20 сравнения, коммутатором 38 и 39 закорачивают входы соответственно усилителей 21 и 22 и блока 24 управления, коммутатор 40 соединяет выход сумматора 25 с блоком 23 управления. На управляющий вход фазосдвигающего узла 15 поступает разность выходных напряжений датчика 30 и делителя 34. Выходное напряжение датчика 30 пропорционально выходному напряжению преобразователя частоты, а напряжение, снимаемое с делите 1 я 34, пропорционально амплитуде токов в цепях компенса 162995355 ции реактивной мощности верхней по схеме секции.Под действием указанной разности сигналов фазосдвигающий узел 15 сдвигает последовательность управляющих импульсов, подаваемую на тиристоры моста 2, в сторону опережения на такой угол в, что амплитуда токов в дросселях 10 при изменении нагрузки остается постоянной. Цепь постоянного тока моста 2 отсекается от фильтра 6 с помощью диода 49, поэтому при подаче импульсов управления на тиристоры моста 2 образуются каналы для протекания только тока компенсации через соответствующие дроссели 11,Если величина загрузки преобразователя достигает половины номинальной, срабатывает пороговый элемент 35, который управляет коммутаторами 37 и 38 и через элемент 2 И 46 коммутатором 39. Коммутатор 37 замыкает инверсный вход узла 20 сравнения, коммутатор 38 подключает входы усилителей 21 и 22 к выходу узла 18 сравнения, а коммутатор 39 соединяет вход блока 24 управления с выходом сумматора 26. После срабатывания коммутатора 37 датчик тока дросселей 10 отключается от узла 20 сравнения, в результате чего на управляющий вход фазосдвигающего узла 15 поступает сигнал только с датчика 30 напряжения. Под действием этого сигнала угол сдвига между последовательностями управляющих импульсов мостов 1 и 2 уменьшается до нуля. Одновременно с этим при замыкании коммутаторов 38 и 39 включается регулятор 8 и система балансировки токов, потребляемых мостами 1 и 2. Сигнал, пропорциональный разности токов 1 д и Х 4, суммируется с сигналом основного контура регулирования в сумматоре 26 и вычитается из него в сумматоре 25. В результате этого выходные напряжения регуляторов 7 и 8, как описано, определяется как величиной опорного напряжения источника 28, так и разбалансом токов 76 и У. Если, например, в процессе работы преобразователя ток 7 цЬ стал больше, чем 1 д, то напряжение Уф, подаваемое с выхода регулятора 7 уменьшается, а напряжение Ы 8 увеличивается. В результате разность токов 73 и Хй стремится к нулю.При параллельной работе преобразовательных секций компенсация избыточной реактивной мощности коммутирующих конденсаторов 9 осуществляется, в основном, мостом 12 с дросселями 10, так как индуктивность последних выбирается много меньшей, чем индуктивность дросселей 11. При снижении нагрузки в поддержании баланса реактивной мощности участвуют уже две системы. Первая система является быстродействующей, причем ее действие имеет ярко выраженный импульсный характер. Вторая система, управляющее воздействие 10 15 20 25 30 35 40 45 50 которой формируется рядом узлов, обеспечивает компенсацию медленных изменений параметров нагрузки, однако имеет преимущества в смысле использования силовых элементов по току. Сочетание двух систем позволяет рационально решить вопросы быстродействия и минимизации установленной мощности. Перестройка структуры силовой части преобразователя частоты в зависимости от величины нагрузки позволяет совместить функции преобразования постоянного напряжения в переменное и компенсацию реактивной мощности в одних и тех же компонентах схемы. При этом угол проводимости тиристоров второго моста при работе в режиме компенсации может быть приближен к 180 эл.град. соответствующим выбором параметров компенсирующих дросселей 11. В результате этого в кривой выходного напряжения существенно уменьшается уровень высших гармоник, прежде всего пятой и седьмой, что благоприятно сказывается как на работе потребителей электроэнергии повышенной частоты, так и коммутирующих конденсаторов. Последнее дает возможность снизить потери холостого хода, что является особенно существенным при работе преобразователя частоты на сеть массовых потребителей со случайным законом подключения, например, при централизованном питании от преобразователя частоты больших групп станков с высокоскоростными шпинделями.При питании таких потребителей особую роль приобретает надежность работы источника питания, возможность наиболее быстро среагировать на аварийный режим и обесточить вентильную систему преобразователя, предупредив тем самым выход из строя элементов, критичных к токовым перегрузкам. В преобразователе частоты обеспечение нормального режима работы осуществляется с помощью контроля коммутационной устойчивости путем измерения амплитуды тока компенсирующих дросселей 10 на каждом интервале работы инвертора и формировании управляющего воздействия ц,=О на блоки управления регуляторами при снижении амплитуды тока компенсации )рай до величины 1 лъмнн. характеризующей критическое (в смысле обеспечения коммутационной устойчивости) значение запаса реактив-. ной энергии емкостного характера в выходной цепи автономного инвертора тока. Это значение 1 жмнн можно рассчитать по фор- муле(рп, мнн = Цу (1 - софмнн) /0)1.у,где У - амплитуда выходного напряжения инвертора; ж - круговая частота инвертирования;- индуктивность компенсирующихдросселей 10;- минимально допустимый уголкоммутации для конкретной частоты и типа тиристоров.Эта формула легко может быть полученаиз уравнения кривой тока компенсации втрехдроссельном компенсаторе на обратныхдиодах(0 =Цр,соэ (0)1 - Р) - со 5 Р 1/0)Еу)где (Ы) - текущее значение тока компенсации.Сигнал, пропорциональный критическомузначению амплитуды тока компенсации С/г 9вырабатывается источником 29 опорногонапряжения и поступает на прямой входкомпаратора, на инверсный вход которогопоступает с выхода выпрямителя 32 сигналУзг, пропорциональный току через дроссели10 компенсации на каждом интервале работы инвертора. На выходе компаратораприсутствует уровень логической единицы(/4, когда опорное напряжение источника 29превышает сигнал выпрямителя 32, и уровень логического нуля - при обратном превышении.Описанная последовательность сигналов поступает на вход формирователя 48узких импульсов, который по переднему фронту поступивших импульсов формирует узкиеимпульсы с длительностью, достаточной длясрабатывания триггера. Эти импульсы подаются на вход сброса Ю-триггера 43, на установочный вход 5 которого подаются синхроимпульсы У 4 с выхода задающего генератора 14. В результате на выходе Я триггера 43 присутствуют импульсы положительной полярности Ур 4 з, передний фронт которых совпадает с началом текущего интервала, а задний фронт совпадает с моментомпересечения обратного хода кривой напряжения, пропорционального току компенсации, со значением опорного напряжения источника 29. Сигналы с выходов компаратора41 и триггера 43 поступают соответственнона первый и второй входы элемента 4 И 45,на третий вход которого подается последовательность импульсов У 4 г, задержаннаяна элементе 42 задержки относительно синхроимпульсов задающего генератора на величину т, равную максимально возможному времени от начала интервала до точкипересечения прямого хода кривой напряжения, пропорциойального току компенсации со значением опорного напряжения источника 29. Для известных параметров схемы преобразователя величина т рассчитывается по формуле7=мин/4 О=Емнн,где Дми - минимально допустимый уголкоммутации для данного типатиристоров и выходной частипреобразователя; 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1-н - минимально допустимое времявосстановление запирающих свойств конкретного типа тиристоров инверторного моста.На четвертый вход элемента 4 И 45 подается сигнал на разрешение работы цепи быстродействующей защиты. Этот сигнал вырабатывается пороговым элементом 36 (порог срабатывания которого значительно ниже, чем у элемента 35) и несет информацию о том, что преобразователь частоты находится в рабочем состоянии, по цепи питания инверторного моста протекает ток /К, и, следовательно, при нормальном режиме работы преобразователя по цепям компенсации реактивной мощности последнего должен протекать ток компенсации, а на выходе выпрямителя 32 присутствовать пропорциональный ему сигнал.В нормальном режиме работы преобразователя (фиг. 2) на выходе элемента 4 И 45 в течение всего интервала работы присутствует сигнал логического нуля.Как только амплитуда выходного сигнала выпрямителя 32, пропорционального току компенсации, станет на каком-либо интервале меньше значения опорного напряжения источника 29, на выходе компаратора 41 на протяжении всего текущего интервала присутствует сигнал логической единицы, на выходе Я триггера 43 также на протяжении всего интервала присутствует уровень логической единицы, так как на вход сброса Я на интервале не подается импульс на обнуление триггера. Таким образом, по приходу задержанного импульса с элемента 42 на третий вход элемента 4 И 45 на всех остальных входах последнего уже установлены уровни логической единицы в результате на выходе элемента 4 И 45 появляется импульс, который через элемент ИЛИ 47 подается на установочный 5-вход Я 5- триггера 44 и устанавливает соответственно на выходах Я и Я последнего уровни логической единицы и логического нуля, которые, поступая на управляющие входы соответствующих коммутаторов 40 и 39, приводят к разрыву цепи сумматор 25 (26) - блок 23 (24) управления регулятором и закорачиванию последних. Это приводит к обесточиванию цепей питания инверторных мостов 1 и 2 вследствие того, что выходные напряжения регуляторов 7 и 8 О 4 и СЫг становятся равными нулю. Повторное включение преобразователя осуществляется при обнулении триггера 44 путем подачи на вход сброса 0 последнего импульса положительной полярности. Второй вход элемента ИЛИ 47 предназначен для отключения преобразователя путем подачи на него импульса положительной полярности.Формирователь 48 узких импульсов введен для того, чтобы исключить неопределенное состояние триггера 43, которое имеетформула изобретения место при наличии на обоих его входах уровня логической единицы.Таким образом, введенная в устройство управления преобразователем частоты цепь быстродействующей защиты инверторных мостов 1 и 2 от нарушения коммутационной устойчивости позволяет в течение одного интервала /6 часть периода выходного напряжения) осуществить отключение вентильной части инверторов от источника питания, За такой промежуток времени аварийный ток не успевает нарасти до опасных пределов, что безусловно повышает надежность функционирования преобразователя частоты в целом. Устройство для управления преобразователем частоты, выполненным в виде объединенных по выходу трехфазных тиристорных мостов, выводы постоянного тока каждого из которых через сглаживающий дроссель и 1,С - фильтр подключены к выходу соответствующего регулятора постоянного напряжения, а выводы переменного тока соединены через конденсаторы между собой и через дроссели с выводами переменного тока соответствующего моста обратных диодов, выводы постоянного тока которого подключены к выводам постоянного тока данного тиристорного моста, содержащее задающий генератор, выход которого предназначен для подключения к управляющему входу первого тиристорного моста и через фазосдвигающий узел -- к управляющему входу второго тиристорного моста, датчики тока, предназначенные для подключения в цепи питания тиристорных мостов, первый узел сравнения, входы которого соединены с выходами датчиков тока, выход - с входом первого коммутатора, выход которого соединен с входами первого и второго усилителей, выходы которых соединены с первыми входами первого и второго сумматоров, вторые входы которых соединены с выходом второго узла сравнения, первый вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения, второй вход - с выходом датчика выходного напряжения и первым входом третьего узла сравнения, второй вход которого соединен с выходом второго коммутатора, вход которого через последовательно сое 5 10 15 20 25 30 35 40 45 диненные делитель напряжения, фильтр и выпрямитель соединен с вторичной обмоткой трансформатора тока, первичная обмотка которого предназначена для подключения последовательно с дросселем первого тиристорного моста, выход третьего узла сравнения соединен с управляющим входом фазосдвигающего узла, третий сумматор, входы которого соединены с выходами датчиков тока, а выход через первый пороговый элемент - с управляющими входами первого .и второго коммутаторов, третий коммутатор, вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход - с входом блока управления регулятора постоянного напряже- . ения второго тиристорного моста, блок управления регулятора постоянного напряжения первого тиристорного моста, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, введены четвертый коммутатор, второй пороговый элемент, второй источник опорного напряжения, компаратор, элемент задержки, два Ю-триггера, элемент 4 И, элемент 2 И, элемент ИЛИ и формирователь узких импульсов, причем четвертый коммутатор включен между выходом первого сумматора и входом блока управления регулятором постоянного напряжения первого тиристорного моста, второй источник опорного напряжения подключен к прямому входу компаратора, инверсный вход которого подключен к выходу выпрямителя, а выход соединен с первым входом элемента 4 И и через формирователь узких импульсов с Й-входом первого К 5-триггера, 5-вход которого соединен с выходом задающего генератора и входом элемента задержки, второй вход элемента 4 И соединен с выходом Я первого Я 5-триггера, третий вход - с выходом элемента задержки, а четвертый вход - с выходом второго порогового элемента, вход которого подключен к выходу третьего сумматора, выход элемента 4 И соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого использован как управляющий вход выключением преобразователя, а выход соединен с 5-входом второго Я 5-триггера, Я-вход которого использован как управляющий вход включением преобразователя, выход Я соединен с управляющим входом четвертого коммутатора, а выход Я соединен с первым входом элемента 2 И, второй вход которого соединен с выходом первого порогового элемента, а выход - с управляющим входом третьего коммутатора.Составитель А. ПарочкинаРедактор Н. Бобкова Техред А. Кравчук Корректор М. МаксимишинецЗаказ 441 Тираж 381 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж - 35, Рау шская наб., д. 45Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101