Статический преобразователь частоты с рекуперацией энергии в сеть

 

ОПИСА

Союз Советских

Социалистических

Республик

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 24.01.75 (21) 2099920/07 с присоединением заявки ¹ —(23) Приоритет— (43) Опубликовано 25.09.76,Бюллетень № 35 (45) Дата опубликования описания06.01.77

Е (51) М. Кл.

Н 02 М 5/44

Гасударственный номитет

Совета Министрав СССР пв делам изабретений и атнрытий (53) УДК 621.314.26 (088,8 ) (72) Авторы изобретения

В. Ф. Петренко, В. Г. Яцук и В. Н. Сухарев (71) Заявитель (54) СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

С РЕКУПЕРА11ИЕЙ ЭНЕРГИИ В СЕТЬ

Предлагаемый статический преобразователь частоты относится к силовой полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использован в системах частот-ного регулирования скорости асинхронных электродвигателей, Для некоторых механизмов, регулирование скорости которых осуществляется с помощью частотно-регулируемых электроприводов, высокие технико-экономические показатели могут быть получены только при использовании таких типов частотных электроприводов, которые обеспечивают рекуперацию энергии в питающую сеть. К таким установкам относятся механизмы с повторно-кратковременным режимом работы, подъемные и транспортные механизмы, .центрифуги с бочьшими маховыми массами в хи мич еском прои зводс тве и г,д, В частотно-регулируемых электроприводах переменного тока в качестве источников переменного напряжения регулируемой частоты применяются статические преобразователи частоты с промежуточным контуН--И- Е . 4,„ >95 ром постоянного гока на базе автономных инверторов напряжения или гока, Наиболее просто режим рекуперации энергии в сеть реализуется в статических преобразователях частоты на базе автономных инверторов тока, При этом двигательный и генераторный режимы работы электромащинной нагрузки обеспечиваются с помощью одних и rex же компонентов си)Q новых полупроводниковых управляемых и неуправляемых вентилей, а система регулирования электропрпвода усложняется незначительно.

Однако статические преобразователи

i5 частоты на базе автономных инвергоров тока, выполненных по классическим схемам, имеют такой недостаток, как наличие перенапряжений на полупроводниковых вентилях автономного инвертора и входного выпря20 мителя в установившихся, переходных и аварийных режимах. Например, в установившемся режиме на вентилях автономного инвертора 70KB возникают коммутационные перенапряжения, связанные с такими рабочими процессами в инверторе, как ком529529 мутация (выключение) основных тиристоров инвертора. На вентилях входного выпрямигеля перенапряжения возникают в переходных и аварийных режимах. Одним из таких переходных режимов является отключение под нагрузкой силовой схемы преобразователя частоты от питающей сети с помощью контактной аппаратуры, При этом вследствие того, что в устройстве имеется сгла живающий дроссель с большой индуктивностью, на полупроводниковых вентилях входного выпрямителя возникают перенапряжения с полярностью: положительный потенциал — на анодах вентилей, отрицательный— на катодах вентилей.

Известен статический преобразователь частоты на базе автономного инвертора тока, в котором ограничение величины макси-. мального напряжения на вентилях инвертора достигается за счет снижения перенапряже20 ний на зажимах трехфазной электромашинной нагрузки путем введения в схему дополнительного устройства ограничения перенапряжений, состоящего из трехфазного мосто« вого неуправляемого выпрямителя, вход которого по переменному току подключен к выходным зажимам автономного инвертора, конденсатора, подключенного к общим катодам и общим анодам неуправляемого выпрямителя, двух токоограничивающих резисторов, подключенных соответственно между общими катодами и общими анодами неуправляемого выпрямителя с одной стороны и общими анодами и общими катодами основных тиристоров инвертора тока с другой стороны 11 ). Эб

В результате величина перенапряжений на выходных зажимах автономного инвертора ограничивается на уровне, определяемом напряжением на вспомогательном конденса46 торе, включенном на выходе неуправляемого моста, Однако в рассмотренной схеме статического преобразователя частоты на базе автономного инвертора тока не обеспечивается

45 защита тиристоров входного выпрямителя от перенапряжений, возникающих при отключении с помощью контактной аппаратуры от питающей сети силовой схемы, находящейся под нагрузкой, 11ель изобретения — ограничение на заданном уровне перенапряжений, возникающих на входном выпрямителе в момент отключения под нагрузкой силовой схемы преобразователя от питающей сети с помощью контакной аппаратуры, Это достигается тем, что в статическом преобразователе частоты, содержащем входной трехфазный мостовой выпрямитель на тиристорах, вход которого по переменному току подключен через контактный элемент, например контактор, сглаживающий дроссель, автономный инвертор тока, блок ограничения перенапряжения на выходных зажимах автономного инвертора, конденсатор фильтра, а также систему регулирования, общие катоды тиристоров входного выпрямителя соединены с катодом дополнительно введенного в схему неуправляемогo вентиля, анод которого связан с общими анодами неуправляемого выпрямителя блока ограничения перенапряжений, а общие аноды тиристсров входного выпрямителя соединены с анс дом другого дополнительно введенного в схему неуправляемого вентиля, катод которого связан с общими катодами неуправляемого выпрямителя блока ограничения перенапряженийй.

На чертеже изображена схема статического преобразователя частоты, Входной трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель на тири с торах

1-6 подключен входом по переменному -.оку через трехполюсный контактор 7 к питаю=. щей сети переменного напряжения постоянной частоты. Общие катоды тиристоров 1—

3 соединены с началом первой обмотки 8 двухобмоточного сглаживающего дросселя 9. обладающего большой индуктивностью. Конец первой обмотки 8 соединен с общими ано.г!а.ми основных тиристоров 10-12 GBro.:ох..ного инвертора тока с межфазовой ком.;,у,.ацией, Общие катоды грех других основных тиристоров 13-15инвертора соединены с на:.-чалом второй обмотки 16 двухобмоточного сглаживающего дросселя 9. Конец второй обмотки 16 соединен с общими анодами тиристоров 4-6 входного выпрямителя. Автономный инвертор тока содержит шесть групп коммутирующих конденсаторов 17-22, и.. = ченных соответственно между основными тиристорами 10-12, 13-15 и отсекающими диодами 23-25, 26-28. K выходным зажимам 29-31 инвертора подключена трехфазная электромащинная нагрузка 32-34 переменного тока, Зля повышения коммутационНОй УСтОйЧИВОСтИ ИНВЕРтОРа Ilf-И тУСКе, Ра=боте в области низких напряжений и =. переходных режимах к шести зажимам коммутирующих конденсаторов 17-22, общим анодам тиристоров 10-12 и общим катодам тиристоров 13-15 подключены вь ход-: устройства 35 подзаряда коммутирующих кон.= денсаторов, вход которого годключен к пи-. тающей сети переменного напряжени.. для ограничения величины перенапряжений на зажимах 29-31 нагрузки в преобразo .— тель частоты введен блок ограничения перенапряжения, содержащий трехфазный мостовой неуправляемый выпрямитель на вентилях 36-41, вход которого по переменному току подключен к выходным зажимам

52, 9529

2 31 автономного инвертора. Обшие катоды вентилей 36-38 соединены с положительным полюсом конденсатора 42 фильтра, отрицательный полюс которого соединен с обшими анодами вентилей 39-41 неуправляемого выпрямителя. В состав устройства ограничения перенапряжений входит также трехфазный мостовой ведомый сетью инвер гор на гиристорах 43-48, выход по переменному току которого подключен через согласующий трансформатор 49 к питаюшей сети переменного напряжения, Общие аноды тиристоров 43-45 ведомого инвертора соединены с одним из выводов обмотки дросселя 50 фильтра, второй вывод обмотки кс» горого соединен с положительным полюсом конденсатора 42 фильтра, Общие катоды тиристоров 46-48 ведомого инвергора соединены с отрицательным полюсом конденсатора 42 фильтра, Управление гиристорами статического преобразователя частоты осуществляется с по.юшьи блока 51 управления гиристорами

1-6 входного выпрямителя с диапазоном фазового управления 180 эл,град., блока

52 управления тиристорами 10-15 автономного инвертора тока и блока 53 управления тиристорами 43-4-8 ведомого сетью инвертора блока ограничения перенапряжений.

Блок 54 регулирования реализует определенчый закон частотного управления элекЗО троприводо л.: Блок 55 питания осуществляет подачу необходимь,х напряжений для питания блоков 51-53 управления гирисгорами преобразователя и блока 54 регулирования, Система регулирования, включающая блоки 51-53 управления тиристорами и блок 54 регулирования, обеспечивает двига» тельный и генераторный режимы работы электромашинной нагрузки с рекуперадией энергии в сеть путем перевода входного выпрямителя в режим инвергора, ведомого сетью, а автономного ипвергора — в режим компенсированного выпрямителя, Для ограничения на заданном уровне пе ренапряжений общие катоды гиристоров 1-3 входного выпрямителя соединены с катодом дополнительно введенного в схему неуправляемого вентиля 56, анод которого соединен с общими анодами вентилей 39-41 неуправляемого выпрямителя блока ограниче- 56 ния перенапряжений, а общие аноды тиристоров 4=-6 входного выпрямителя соединены с анодом др:-,- ого дополнительно введеннсго в схему неуправляемого вентиля 57, каТор, которого соединен с обшими катодами вентилей 36*.-38 неуправляемого выпрямителя блока ограничения перенапряжений, Предположим, что статический преобразователь частоты питает электромашиннуи нагрузку, работающую в двигательном или @ генерагорном режимах при номинальном токе. Одним из возможных конту-ров протекания силового гока в течение некоторого интервала времени являегся, например, следующий: линейный провод фазы А питающей сети переменного напряжения, соответствующие силовые контакты конгакгора 7, тиристор 1 входного выпрямителя, первая обмотка 8 сглаживаюшего дросселя 9, гиристор

10 и огсекаищий диод 23 автономного инвертора, фазы 32 и 34 нагрузки, отсекаюший диод 28 и гиристор 15 автономного инвертора вторая обмотка 16 сглаживающего дросселя 9, гирисгор 6 входного выпрямителя, соответствующие силовые контакты контактора 7, линейный провод фазы С пигаюшей сети переменного напряжения. Впродессеработы статпческого преобразователя частоты напряжение на конденсаторе 42 фильтра блока ограничения перенапряжений осгаегся практически постоянным и не превышает бпределенный уровень напряжения, составляиши11, например, 110-120:o or максимально возможной амплитуды первой гармоники линейного напряжения на выходе инвергора гока, Величина упомянутого уровня напряжения на конденсаторе 42 задаегся с помошью ведомого инвергора на гирисгорах

43-48 и его блока 53 управления.

Ведомый ипвергор работает, например, с постоянным углом /3 опережения включения тирисгоров, B этом случае уровень напряжения на конденсаторе 42 определяется входчой харакгерисгикой ведомого инвертора на гирисгорах 43-48, Лля получения более жесгкой характер сгики возможно регулировать угол g опережения ведомого инвергора гак, чтобы напряжение на конденсаторе 42 филь гра было постоянным и не превышало заданный уровень во всех режимах работы статического преобразователя частоты. Вследствие того, что напряжение на конденсаторе

42 превышает м аксимально возм ожную амплитуду первой гармоники выходного линейного напряжения автономного инвертора, к неуправляемым вентилям 56, 57 постоянно приложено обратное напряжение как в двигательном, гак и в генераторном режимах работы нагрузки, г,е. вентили 56, 57 оказываются зыкличенными практически B течение всего периода выходной частоты автономного инвергора, за исключением коммутационных интервалов, длигель ность которых по отношении к периоду незначительна, Кроме гого, амплитуды гоков, прогекаюших через вентили 56, 57 в течение комму-.ационных интервалов, ограничены индукгивностями обмогок 8 и 16 сглаживающего дросселя 9, Предположим, что производится отключение силовой схемы статического прео&529529 разовагеля частоты от питающей сети переменного напряжения с помощью контактОра 7. В результате разрыва цепи, по которой протекает силовой ток, и наличия в схеме преобразователя элементов, обладающих индукгивностью, на гиристорах 1-6 входного выпрямителя начинаег повышаться напряжение с полярностью: положительный потенциал — на анодах гиристоров, отрицательный — на катодах гиристоров, При достижении этим йапряжением уровня, равного напряжению на конденсаторе 42, от крываются неуправляемые вентили 56, 57, и силовой ток, уменьшаясь до нулевого значения, замыкаегся по новому контуру: первая обмотка 8 сглаживающего дросселя 9, тирисгор 10 и отсекающий диод 23 автономного инвертора, фазы 32 и 34 нагрузки, огсекаюший диод 28 и тиристор 15 автономного инвертора, вторая обмотка 16 сглаживающего дросселя 9, неуправляемый вентиль 57, конденсатор 42 фильтра, неуправляемый вентиль 56, первая обмотка 8.

В результате перенапряжения, возникающие на тиристорах 1-6 входного выпрямителя при отключении преобразователя от питающей сети с помощью контактной аппаратуры, не превышают заданного уровня, равного напряжению на конденсаторе 42 фильтра блока ограничения перенапряжений.

Предлагаемый статический преобразовагель частоты имеет следующее преимушество по сравнению с прототипом: электроснабжение установок со статическими преобразователями в большинстве случаев осуществляется по сетям, содержащим контактную аппаратуру, обладающую защитными харакгеристиками ог токовых перегрузок сетей в аварийных режимах, Такими аппаратами являются, например, автоматические выключатели, предохранители, пускатели, контакторы, При срабатывании указанной защитной аппаратуры происходит разрыв питающей сети, что может привести к перенапряжениям на гирисгорах входного выпрямителя прототипа и выходу. их из строя, В предлагаемом статическом преобразователе частоты перенапряжения на гирисгорах входного выпрямителя в этом случае исключаются.

Дополнительно введенные в схему неуправляемые вентили 56, 57 загружены по току незначительно, что позволяет использовать в качестве этих вентилей приборы на токи, меньшие чем в основной силовой схеме преобразователя, а в случае применения приборов, аналогичных вентилям силовой схемы, надежность их работы в качестве вентилей 56, 57 выше, чем вентилей силовой схемы преобразователя часготы.

Формула изобретения !

Статический преобразователь частоты с рекуперацией энергии в сеть, содержащий входной трехфазный мостовой выпрямитель на гиристорах, вход которого по переменному гоку подключен через контактный элемент, сглаживающий дроссель, автономный инвергор гока, блок ограничения перенапряжения на выходных зажимах автономного инвергора, конденсатор фильтра, а также

25 систему регулирования, о г л и ч а ю— шийся тем, что, с целью ограничения на заданном уровне перенапряжений, возникающих на входном выпрямителе в момент отключения под нагрузкой силовой схемы

30 преобразователя от питающей сети с помощью контактной аппаратуры, общие катоды тирисгоров входного выпрямителя соединены с катодом дополнительно введенного в схему неуправляемого вентиля, анод кого3ф рого связан с общими анодами неуправляемого выпрямителя блока ограничения перенапряжений, а общие аноды гиристоров входного выпрямителя соединены с анодом другого дополнительно введенного в схему неуправляемого вентиля, катод которого связан с общими катодами неуправляемого выпрямителя блока ограничения перенапряжений.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе изобретения:

1. Толстов Ю, Г„Наталкин А. В, Тирисгорные преобразователи частоты для мощного асинхронного элекгропривода, "Электротехника" N2 12, 1972 (прототип), 520529

Составитель Б. Никоноров

РедактоР Т. ЗагРебельнаЯ ТехРед М. Ликович Корректор g. мельниченко

Заказ 5341/92 Тираж 882 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4