RU104398U1

RU104398U1 - DIRECT FREQUENCY CONVERTER

Info

Publication number: RU104398U1
Application number: RU2010154537/07U
Authority: RU
Inventors: Андрей Вячеславович Берилов; Зо Лин Кью; Геннадий Сергеевич Мыцык
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2011-05-10

Abstract

Непосредственный преобразователь частоты, содержащий три группы управляемых ключей переменного тока с тремя полностью управляемыми ключами переменного тока в каждой группе, с числом входных и выходных фаз, равным трем, при этом к каждой входной фазе подключено одним своим силовым выводом по одному ключу переменного тока из каждой группы, а другие силовые выводы трех ключей переменного тока каждой группы объединены между собой и образуют одну из трех его выходных фаз, а также блок управления группами ключей переменного тока, отличающийся тем, что снабжен узлом ограничения импульсных перенапряжений, выполненном в виде двух трехфазных выпрямительных мостов, у которых одноименные по полярности выводы постоянного тока объединены и между ними включена защитная цепочка из последовательно соединенных дополнительного управляемого ключа с узлом управления и накопительного конденсатора с параллельно подключенным к нему разрядным элементом, причем выводы переменного тока одного выпрямительного моста подключены к трем входным фазам непосредственного преобразователя частоты, выводы переменного тока другого выпрямительного моста подключены к трем выходным фазам непосредственного преобразователя частоты, узел управления дополнительным ключом выполнен в виде задатчика уровня опорного сигнала и компаратора с гистерезисом, имеющего вход настройки уровня гистерезиса и два информационных входа - измерительный и опорный, причем измерительный вход подключен параллельно защитной цепочке, а опорный вход - к выходу задатчика уровня опорного сигнала, который также имеет свой вход настройки уровня опорного сигнал� A direct frequency converter containing three groups of controlled alternating current keys with three completely controlled alternating current keys in each group, with the number of input and output phases equal to three, while each input phase is connected with its own power output, one alternating current key from each groups, and other power outputs of three alternating current keys of each group are interconnected and form one of its three output phases, as well as a control unit for alternating current key groups, different the fact that it is equipped with a surge suppression unit made in the form of two three-phase rectifier bridges, in which the direct current terminals of the same polarity are connected and a protective chain is connected between them from an additional controlled key connected in series with the control unit and a storage capacitor with a discharge capacitor connected in parallel with it element, and the AC terminals of one rectifier bridge are connected to the three input phases of the direct frequency converter s, the AC terminals of the other rectifier bridge are connected to the three output phases of the direct frequency converter, the additional key control unit is made in the form of a reference signal level adjuster and a hysteresis comparator having a hysteresis level adjustment input and two information inputs - a measuring and a reference connected in parallel to the protective circuit, and the reference input to the output of the reference signal level adjuster, which also has its own reference signal level adjustment input

Description

Полезная модель относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использована при построении различного рода управляемых электромеханических систем (например, генерирующих электромеханических систем или частотно управляемых электроприводов) с улучшенными энергетическими характеристиками.The utility model relates to the field of power converting equipment and can be used in the construction of various kinds of controlled electromechanical systems (for example, generating electromechanical systems or frequency-controlled electric drives) with improved energy characteristics.

Известны преобразователи частоты непосредственного типа, выполненные на не полностью управляемых ключевых элементах - тиристорах (см., например, стр.43 в книге Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 400 с.)Known direct frequency converters, made on incompletely controlled key elements - thyristors (see, for example, page 43 in the book by Juji L., Pelly B. Power semiconductor frequency converters: Theory, characteristics, application. Transl. From English - M .: Energoatomizdat, 1983.- 400 p.)

В таких преобразователях частоты непосредственного типа невозможно реализовать преобразование напряжения известным способом квазиоднополосной модуляции.In such direct frequency converters, it is impossible to realize voltage conversion in a known manner by quasi-single-band modulation.

Наиболее близким к полезной модели является непосредственный преобразователь частоты, описанный, на стр.13 в книге: Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями. - М. - Л.:Closest to the utility model is the direct frequency converter described on page 13 in the book: A. Sandler, R. Sarbatov. Frequency inverters for controlling asynchronous motors. - M. - L .:

Энергия, 1966. - 144 с. При трехфазном входе и трехфазном выходе преобразователь содержит девять полностью управляемых ключей переменного тока, выполненных на транзисторах и диодах, которые управляются от блока управления, реализующего способ квазиоднополосной модуляции. Ключи переменного тока последовательно через равные интервалы времени (по циклическому закону) с частотой f_м к каждой из трех выходных фаз («а», «b», «с») нагрузки подключают напряжения частоты f₁ каждой из трех входных фаз («А», «В», «С»). На выходе непосредственного преобразователя частоты при этом формируется напряжение квазисинусоидальной формы, частота f₂ основной (полезной) гармоники которого равна разности частот f₁ и f_м:Energy, 1966 .-- 144 p. With a three-phase input and a three-phase output, the converter contains nine fully controllable alternating current switches made on transistors and diodes, which are controlled by a control unit that implements a method of quasi-single-band modulation. Switches of alternating current sequentially at equal intervals of time (according to the cyclic law) with a frequency of f _m to each of the three output phases ("a", "b", "c") of the load connect voltage frequency f _{1 of} each of the three input phases ("A "," B "," C "). At the output of the direct frequency converter, a voltage of a quasi-sinusoidal shape is formed, the frequency f _{2 of the} main (useful) harmonic of which is equal to the frequency difference f ₁ and f _m :

f₂=f₁-f_м.f ₂ = f ₁ -f _m .

Параллельно каждому транзистору в ключах переменного тока подключается RCD цепочка для ограничения импульсных перенапряжении на нем, обусловленных паразитными индуктивностями питающей сети и индуктивностями нагрузки.In parallel with each transistor, an RCD circuit is connected in the alternating current switches to limit the pulse overvoltage on it, due to stray inductances of the mains and load inductances.

Недостатками такого решения являются большое число элементов RCD цепочек и энергетическая неэффективность из-за потерь в резисторах и диодах RCD цепочек, которые невозможно рационально преобразовать в полезную мощность.The disadvantages of this solution are the large number of elements of the RCD chains and energy inefficiency due to losses in resistors and diodes of the RCD chains, which cannot be rationally converted into useful power.

Техническим результатом полезной модели является уменьшение общего числа элементов предназначенных для ограничения импульсных перенапряжений на ключах переменного тока, уменьшение потерь в этих элементах, за счет дозированного ограничения импульсных перенапряжений, а также получение возможности преобразовать часть потерь в полезную мощность.The technical result of the utility model is to reduce the total number of elements designed to limit surge surges on alternating current switches, reduce losses in these elements, due to the dosed limitation of surge surges, as well as to be able to convert part of the losses to usable power.

Технический результат достигается тем, что известный непосредственный преобразователь частоты, содержащий три группы управляемых ключей переменного тока с тремя полностью управляемыми ключами переменного тока в каждой группе, с числом входных и выходных фаз равным трем, в котором к каждой входной фазе подключено одним своим силовым выводом по одному ключу переменного тока из каждой группы, а другие силовые выводы трех ключей переменного тока каждой группы объединены между собой и образуют одну из трех его выходных фаз, а также блок управления группами ключей переменного тока, он снабжен узлом ограничения импульсных перенапряжений выполненом в виде двух трехфазных выпрямительных мостов, у которых одноименные по полярности выводы постоянного тока объединены и между ними включена защитная цепочка из последовательно соединенных дополнительного управляемого ключа с узлом управления и накопительного конденсатора с параллельно подключенным к нему разрядным элементом, причем выводы переменного тока одного выпрямительного моста подключены к трем входным фазам непосредственного преобразователя частоты, выводы переменного тока другого выпрямительного моста подключены к трем выходным фазам непосредственного преобразователя частоты, узел управления дополнительным ключом выполнен в виде задатчика уровня опорного сигнала и компаратора с гистерезисом, имеющего вход настройки уровня гистерезиса и два информационных входа - измерительный и опорный, причем измерительный вход подключен параллельно защитной цепочке, а опорный вход - к выходу задатчика уровня опорного сигнала, который также имеет свой вход настройки уровня опорного сигнала.The technical result is achieved by the fact that the known direct frequency converter containing three groups of controlled alternating current keys with three fully controlled alternating current keys in each group, with the number of input and output phases equal to three, in which each input phase is connected with one of its power terminals one alternating current switch from each group, and the other power outputs of the three alternating current switches of each group are combined and form one of its three output phases, as well as a control unit In addition to alternating current switch groups, it is equipped with a surge suppression unit made in the form of two three-phase rectifier bridges, in which the DC terminals of the same polarity are connected and a protective chain is connected between them from an additional controlled key connected in series with the control unit and a storage capacitor with a parallel connected to it a discharge element, and the AC terminals of one rectifier bridge are connected to the three input phases directly frequency converter, the AC terminals of another rectifier bridge are connected to the three output phases of the direct frequency converter, the additional key control unit is made in the form of a reference signal level adjuster and a hysteresis comparator having an input for setting the hysteresis level and two information inputs - measuring and reference, the measuring input is connected in parallel with the protective circuit, and the reference input is connected to the output of the reference signal level adjuster, which also has its own input Settings for the reference signal level.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная электрическая схема трехфазного преобразователя частоты; на фиг.2 а) приведены осциллограммы выходных напряжения и тока преобразователя частоты (для одной фазы) при отсутствии в нем узла ограничения импульсных перенапряжений; на фиг.2 б) показана осциллограмма напряжения на одном из ключей переменного тока при отсутствии в преобразователе частоты узла ограничения импульсных перенапряжений; на фиг.3 а) осциллограммы выходных напряжения и тока преобразователя частоты (для одной фазы) при наличии в нем узла ограничения импульсных перенапряжений; на фиг.3 б) осциллограмма напряжения на одном из ключей переменного тока при наличии в преобразователе частоты узла ограничения импульсных перенапряжений.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where figure 1 shows a circuit diagram of a three-phase frequency converter; figure 2 a) shows the waveforms of the output voltage and current of the frequency converter (for one phase) in the absence in it of a node for limiting surge voltages; figure 2 b) shows the waveform of the voltage on one of the keys of the alternating current in the absence in the frequency converter of the node limiting impulse overvoltage; figure 3 a) the waveform of the output voltage and current of the frequency converter (for one phase) in the presence of a node for limiting surge voltage; figure 3 b) the waveform of the voltage on one of the keys of the alternating current in the presence of a frequency converter node limiting impulse overvoltage.

Непосредственный преобразователь частоты содержит три группы полностью управляемых ключей переменного тока 1, 2, 3; 4, 5, 6 и 7, 8, 9 включенных между его входными «А», «В», «С» и выходными «а», «в», «с» выводами, блок управления ключами переменного тока 10 с выходами 11, 12, 13 и узел ограничения импульсных перенапряжений. Блок управления 10 строится на основе регистра Джонсона и может быть выполнен как указано на стр.83 в книге «Системы управления тиристорными преобразователями частоты» В.А.Бизиков, В.Н.Миронов, С.Г.Обухов, Р.Н.Шамгунов. - М.: Энергоатомиздат, 1981 г. - 144 с. Узел ограничения импульсных перенапряжений выполнен в виде входного трехфазного выпрямительного моста на диодах 14÷19, своими входными выводами подключен к силовым входным выводам трехфазного преобразователя частоты «А», «В», «С», а выходной трехфазный выпрямительный мост на диодах 20÷25 своими входными выводами подключен к выходным выводам трехфазного преобразователя частоты «а», «в», «с». Одноименные по полярности выводы постоянного тока входного и выходного диодных мостов объединены между собой, образуя соответственно две точки «m» и «n», между которыми включена защитная цепочка из последовательно включенных управляемого ключа 26 с узлом управления 27 и накопительного конденсатора 28 с параллельно подключенным к нему разрядным элементом 29. Выход задатчика уровня опорного сигнала 30 подключен к опорному входу компаратора с гистерезисом 31 (описание см. на стр.184-186 в кн.: Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа, 1980. - 496 с.). Измерительный вход компаратора 31 подключен к точкам «m», «n», то есть параллельно защитной цепочке из элементов 26, 28. Выход компаратора с гистерезисной характеристикой 31 является выходом узла управления 27. Узел управления 27 имеет рукоятку настройки 32 компаратора 31 и рукоятку настройки 33 задатчика уровня опорного сигнала 30. Разрядный узел 29, подключенный параллельно конденсатору 28, в простейшем случае может быть выполнен в виде резистора, а при необходимости в виде устройства преобразующего сбрасываемую энергию например в энергию источника питания внутренних нужд непосредственного преобразователя частоты. Нагрузка 34 своими первым, вторым и третьим входами подключена к выходным выводам «а», «в», «с» преобразователя частоты.The direct frequency converter contains three groups of fully controlled alternating current keys 1, 2, 3; 4, 5, 6 and 7, 8, 9 included between its input “A”, “B”, “C” and output “a”, “b”, “c” terminals, control unit for AC keys 10 with outputs 11 , 12, 13 and a surge suppression unit. The control unit 10 is built on the basis of the Johnson register and can be performed as indicated on page 83 in the book “Control Systems for Thyristor Frequency Converters” V. A. Bizikov, V. N. Mironov, S. G. Obukhov, R. N. Shamgunov . - M .: Energoatomizdat, 1981 - 144 p. The impulse overvoltage limiting unit is made in the form of an input three-phase rectifier bridge on diodes 14 ÷ 19, with its input terminals connected to the power input terminals of the three-phase frequency converter "A", "B", "C", and the output three-phase rectifier bridge on diodes 20 ÷ 25 its input pins connected to the output pins of a three-phase frequency converter "a", "b", "s". The dc pins of the input and output diode bridges with the same polarity are connected to each other, forming two points “m” and “n”, respectively, between which a protective chain is connected from a serially connected controlled key 26 with a control unit 27 and a storage capacitor 28 with a parallel connection to it with a bit element 29. The output of the reference signal level adjuster 30 is connected to the reference input of the comparator with hysteresis 31 (for a description, see pages 184-186 in the book: Zabrodin Yu.S. Industrial Electronics. - M.: Higher School, 1980 .-- 496 p.). The measuring input of the comparator 31 is connected to the points "m", "n", that is, parallel to the protective chain of elements 26, 28. The output of the comparator with the hysteresis characteristic 31 is the output of the control unit 27. The control unit 27 has a control knob 32 of the comparator 31 and a control knob 33 of the reference signal level adjuster 30. The discharge unit 29, connected in parallel with the capacitor 28, in the simplest case can be made in the form of a resistor, and, if necessary, in the form of a device that converts the discharged energy, for example, into an energy source and the internal needs of the direct frequency converter. The load 34 with its first, second and third inputs is connected to the output terminals “a”, “b”, “c” of the frequency converter.

Непосредственный преобразователь частоты работает следующим образом.Direct frequency converter operates as follows.

Ограничение импульсных перенапряжений на ключах переменного тока 1-9 при их коммутации осуществляется следующим образом. Пусть, например, в преобразователе частоты в открытом состоянии были ключи 1, 5, 9, и токи в фазах активно-индуктивной нагрузки 34 протекали в направлениях, показанных на фиг.1. В фазах А, В, С сети также протекали токи, показанные стрелками. После запирания этих ключей от блока управления 10 поступают управляющие импульсы на отпирание следующих ключей. От момента запирания ключей, отработавших свой интервал времени, и до момента открытого состояния вновь вступающих в работу ключей существует небольшой интервал времени (премя включения - порядка десятков наносекунд), когда все 9 ключей находятся в непроводящем состоянии. В этот интервал времени, из-за наличия паразитных индуктивностей питающей сети и индуктивностей нагрузки на выходе преобразователя частоты (в нагрузке) и на его ключах возникают импульсы перенапряжения. На фиг.2, при отсутствии узла ограничения импульсных перенапряжений, видно, что данные импульсы имеют недопустимо высокий уровень, приводящий к выходу из строя преобразователя частоты. На фиг.3, при наличии узла ограничения импульсных перенапряжений, видно, что данные импульсы имеют существенно меньший уровень, являющийся допустимым. Импульсы, обусловленные индуктивностью нагрузки, через диоды 22, 23, 24 выпрямительного моста прикладываются к точкам «m», «n». К этим точкам подключен измерительный вход компаратора 31. При достижении импульсов перенапряжения уровня срабатывания U_сраб (уровень настраивается с помощью рукоятки 33) компаратор 31 срабатывает и генерирует сигнал на отпирание ключа 26. В результате его отпирания перенапряжение, равное U_сраб, прикладывается к цепочке из параллельно включенных накопительного конденсатора 28 и разрядного резистора 29. При этом перенапряжение начинает снижаться, и при достижении его значения, равного уровню U_отп (уровень настраивается с помощью рукоятки 32), компаратор генерирует сигнал на запирание ключа 26, ключ 26 запирается, и на данный момент защитная цепочка 26, 28 завершает выполнение своей защитной функции. К этому моменту времени три других ключа переменного тока преобразователя частоты уже вышли в открытое состояние. Последующее их запирание и очередное отпирание ключей следующей тройки приводит к повторному срабатыванию защитной цепочки. Таким образом, периодический процесс сброса энергии запасенной в индуктивностях нагрузки в цепочку 26, 28 в моменты переключения ключей переменного тока 1-9 происходит только тогда, когда это необходимо, на временных отрезках, несоизмеримых с временными интервалами проводимости ключей переменного тока 1÷9. Именно этот фактор и определяет уменьшение потерь в элементах ограничения импульсных перенапряжений, по сравнению с применением RCD цепочек. Предложенное устройство ограничения перенапряжений по существу представляет собой «электронный клапан».The limitation of surge overvoltage on switches of alternating current 1-9 during their switching is carried out as follows. Let, for example, keys 1, 5, 9 be in the open state of the frequency converter, and currents in the phases of the active-inductive load 34 flow in the directions shown in Fig. 1. In phases A, B, C of the network, the currents shown by arrows also flowed. After locking these keys from the control unit 10 receives control pulses to unlock the following keys. From the moment of locking the keys that have worked out their time interval to the open state of the newly entering keys, there is a small time interval (switching on time is on the order of tens of nanoseconds) when all 9 keys are in a non-conducting state. During this time interval, due to the presence of parasitic inductances of the supply network and load inductances at the output of the frequency converter (in the load) and at its keys, overvoltage pulses occur. In figure 2, in the absence of a node limiting surge surges, it can be seen that these pulses have an unacceptably high level, leading to the failure of the frequency converter. Figure 3, in the presence of a node limiting surge surges, it is clear that these pulses have a significantly lower level, which is valid. The pulses due to the inductance of the load through the diodes 22, 23, 24 of the rectifier bridge are applied to the points "m", "n". The measuring input of the comparator 31 is connected to these points. When the overvoltage pulses reach the tripping level U _srab (the level is adjusted using the handle 33), the comparator 31 is activated and generates a signal to unlock the key 26. As a result of unlocking, an overvoltage equal to U _srab is applied to the chain of parallel connected storage capacitor 28 and discharge resistor 29. In this case, the overvoltage begins to decrease, and when it reaches a value equal to the level U _OTP (the level is adjusted using the knob 32), the comparator generates a signal to lock the key 26, the key 26 is locked, and at the moment the protective chain 26, 28 is completing its protective function. At this point in time, the other three AC keys of the frequency converter are already in the open state. Their subsequent locking and the next unlocking of the keys of the next three leads to the repeated operation of the protective chain. Thus, the periodic process of dumping the energy stored in the inductances of the load into the circuit 26, 28 at the moments of switching the alternating current switches 1-9 occurs only when necessary, on time periods incommensurable with the time intervals of the conductivity of the alternating current switches 1 ÷ 9. It is this factor that determines the decrease in losses in the elements of the impulse overvoltage restriction, in comparison with the use of RCD chains. The proposed surge protection device is essentially an “electronic valve”.

Вырямительный мост на диодах 14÷19, выполняет такую же функцию, как и выпрямительный мост на диодах 20÷25, с той лишь разницей, что он собирает и направляет в защитную цепочку 26, 28 энергию, накапливаемую в паразитных индуктивностях проводов, подводящих напряжение питания к преобразователю частоты. Оба выпрямительных моста в моменты ограничения перенапряжений работают одновременно: в выше рассмотренном примере, в моменты, когда открыты диоды 22, 23, 24, открыты также диоды 16, 17, 18.The rectifier bridge on the diodes 14 ÷ 19, performs the same function as the rectifier bridge on the diodes 20 ÷ 25, with the only difference being that it collects and directs the energy stored in the parasitic inductors of the wires supplying the supply voltage to the protective circuit 26, 28 to the frequency converter. Both rectifier bridge at the time of surge protection work simultaneously: in the above example, when the diodes 22, 23, 24 are open, diodes 16, 17, 18 are also open.

Использование полезной модели обеспечивает уменьшение общего числа элементов предназначенных для ограничения импульсных перенапряжений на ключах переменного тока, уменьшение потерь в этих элементах, за счет дозированного ограничения импульсных перенапряжений, а также получение возможности преобразовать часть потерь в полезную мощность.Using the utility model provides a reduction in the total number of elements designed to limit surge surges on alternating current switches, reducing losses in these elements, due to the dosed limitation of surge surges, as well as gaining the ability to convert part of the losses to usable power.

Claims

A direct frequency converter containing three groups of controlled alternating current keys with three completely controlled alternating current keys in each group, with the number of input and output phases equal to three, while each input phase is connected with its own power output, one alternating current key from each groups, and other power outputs of three alternating current keys of each group are interconnected and form one of its three output phases, as well as an alternating current key group control unit, different the fact that it is equipped with a surge suppression unit made in the form of two three-phase rectifier bridges, in which the direct current terminals of the same polarity are connected and a protective chain is connected between them from an additional controlled key connected in series with the control unit and a storage capacitor with a discharge capacitor connected in parallel with it element, and the AC terminals of one rectifier bridge are connected to the three input phases of the direct frequency converter s, the AC terminals of the other rectifier bridge are connected to the three output phases of the direct frequency converter, the additional key control unit is made in the form of a reference signal level adjuster and a hysteresis comparator having a hysteresis level adjustment input and two information inputs - a measuring and a reference connected in parallel to the protective chain, and the reference input to the output of the reference signal level adjuster, which also has its own reference signal level adjustment input .