RU2732283C1

RU2732283C1 - Frequency converter with controlled voltage rectifier

Info

Publication number: RU2732283C1
Application number: RU2019108476A
Authority: RU
Inventors: Федор Андреевич Гельвер
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр"
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2020-09-15

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: present invention relates to electrical engineering and power electronics, particularly to converters of electric energy designed as per scheme of two-link electrical converters. Purpose of the invention is expansion of functional capabilities, in particular possibility to vary in wide limits DC link voltage and amplitude of output voltage of the frequency converter with adjustable voltage rectifier, to simplify the control system and to increase reliability of operation. Besides, proposed device has sufficient versatility, which enables to use frequency converter with wide range of both input and output voltages. Set goal is achieved due to that the frequency converter circuit incorporates throttles and new connections allowing use of the transistor of the brake circuit as a power switch for the braking circuit and an element of the step-up voltage rectifier.EFFECT: positive effect of the proposal consists in the fact that with a minimum number of simple and reliable elements provides improved functional capabilities of the article, improving operating reliability, as well as possibility of such frequency converter operation with any combinations of input and output voltages.4 cl, 5 dwg

Description

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к статическим преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии.The proposal relates to the field of electrical engineering and power electronics, in particular, to static frequency converters with double conversion of electrical energy.

Известен преобразователь частоты (патент US 20080239432, METHOD AND APPARATUS FOR PRE-CHARGING POWER CONVERTERS AND DIAGNOSING PRE-CHARGE FAULTS, класс H02H 7/125, дата приоритета 26.09.2008 г., дата публикации 01.04.2010 г.), содержащее выпрямитель напряжения, инвертор, накопительный конденсатор и зарядный резистор, установленный после выпрямителя и ограничивающий ток заряда конденсатора, а также контактор, шунтирующий зарядный резистор после окончания заряда. Недостатком известного устройства являются искажение напряжения питающей сети, вызванные работой преобразователя частоты (выпрямителя напряжения) отсутствие возможности регулирования напряжения звена постоянного тока, а также необходимость установки дополнительного силового контактора, рассчитанного на полный ток нагрузки, протекающий в звене постоянного тока, и наличие дополнительного зарядного резистора.Known frequency converter (US patent 20080239432, METHOD AND APPARATUS FOR PRE-CHARGING POWER CONVERTERS AND DIAGNOSING PRE-CHARGE FAULTS, class H02H 7/125, priority date 09/26/2008, publication date 04/01/2010), containing a voltage rectifier , an inverter, a storage capacitor and a charging resistor installed after the rectifier and limiting the charging current of the capacitor, as well as a contactor shunting the charging resistor after the end of charging. The disadvantage of the known device is the voltage distortion of the supply network caused by the operation of the frequency converter (voltage rectifier), the inability to regulate the DC link voltage, and the need to install an additional power contactor designed for the full load current flowing in the DC link, and the presence of an additional charging resistor ...

Известен преобразователь частоты (патент CN 102664539 А, класс Н02М 7/155, дата выдачи 12.09.2012 г.) содержащий управляемый выпрямитель на тиристорах, накопительный конденсатор и инвертор напряжения. Достоинством известной схемы является возможность регулирования напряжения звена постоянного тока вниз относительно напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя. Недостатком известной схемы является искажение напряжения питающей сети при работе преобразователя частоты (выпрямителя), потребление преобразователем реактивной мощности, невозможность рекуперации электроэнергии обратно в сеть, невозможность получения напряжения на выходе выпрямителя выше уровня напряжения неуправляемого выпрямительного моста.Known frequency converter (patent CN 102664539 A, class Н02М 7/155, issue date 12.09.2012) containing a controlled rectifier on thyristors, a storage capacitor and a voltage inverter. The advantage of the known circuit is the ability to regulate the DC link voltage downward relative to the voltage determined by the voltage level of the uncontrolled rectifier. The disadvantage of the known circuit is the distortion of the supply voltage during the operation of the frequency converter (rectifier), the consumption of the reactive power by the converter, the impossibility of recuperating electricity back into the network, the impossibility of obtaining a voltage at the output of the rectifier above the voltage level of the uncontrolled rectifier bridge.

Известен преобразователь частоты (патент DE4319254 A1, Umformer mit Regenerierungssteuerung, класс Н02Н 7/12, Н02М 5/42, Н02М 7/68, Н02Р 7/63, дата приоритета 09.06.1993 г., дата публикации 16.12.1993 г.) содержащий входные дроссели, выпрямитель напряжения, инвертор напряжения, и конденсатор звена постоянного тока. Причем выпрямитель и инвертор напряжения выполнены по схеме трехфазного двухполупериодного моста на диодах, антипараллельно каждому из которых включен транзистор. Достоинством такой схемы является возможность повышения напряжения в звене постоянного тока такого преобразователя частоты выше уровня определяемого неуправляемым выпрямителем напряжения, возможность рекуперации энергии в питающую сеть, а также потребление практически синусоидального тока из питающей сети. К недостаткам известного устройства относится большое количество полупроводниковых элементов схемы, причем половина из них полностью управляемая - транзисторы. Как следствие более сложная аппаратная и алгоритмическая часть системы управления преобразователем частоты. К недостаткам известного устройства так же следует отнести невозможность регулирования напряжения звена постоянного тока вниз относительно напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя, а так же наличие габаритных и тяжелых дросселей установленных на входе.Known frequency converter (patent DE4319254 A1, Umformer mit Regenerierungssteuerung, class Н02Н 7/12, Н02М 5/42, Н02М 7/68, Н02Р 7/63, priority date 09.06.1993, publication date 16.12.1993) containing input chokes, voltage rectifier, voltage inverter, and DC link capacitor. Moreover, the rectifier and the voltage inverter are made according to the scheme of a three-phase full-wave bridge on diodes, antiparallel to each of which a transistor is turned on. The advantage of such a scheme is the possibility of increasing the voltage in the DC link of such a frequency converter above the level determined by the uncontrolled rectifier voltage, the possibility of energy recovery into the supply network, as well as the consumption of an almost sinusoidal current from the supply network. The disadvantages of the known device include a large number of semiconductor circuit elements, and half of them are fully controllable - transistors. As a result, a more complex hardware and algorithmic part of the frequency converter control system. The disadvantages of the known device should also include the impossibility of regulating the DC link voltage downward relative to the voltage determined by the voltage level of the uncontrolled rectifier, as well as the presence of dimensional and heavy chokes installed at the input.

Известен преобразователь частоты (патент RU 2540110 (С2), класс Н02М 5/42, 23.04.2013, Обратимый преобразователь частоты, авторы Гельвер А.А., Гельвер Ф.А., Хомяк В.А., Калинин И.М., Лазаревский Н.А.) содержащий дроссели, включенные между источником переменного напряжения и входными выводами выпрямителя напряжения, двухуровневый инвертор напряжения и конденсатор подключенные на выход выпрямителя напряжения. Причем выпрямитель напряжения выполнен на шести одинаковых полупроводниковых цепочках собранных по схеме Ларионова. Каждая из полупроводниковых цепочек содержит транзистор и последовательно встречно включенный тиристор, причем параллельно каждому из этих элементов включен антипараллельный диод. Достоинством такой схемы является возможность регулирования напряжения звена постоянного тока как вверх, так и вниз относительно напряжения определяемого схемой неуправляемого выпрямителя напряжения. К недостаткам известной схемы относится наличие еще большего количества полупроводниковых элементов схемы, причем большая часть, из которых является управляемыми а, следовательно, более сложная аппаратная и алгоритмическая часть системы управления. К недостаткам известной схемы следует отнести отсутствие тормозной цепи звена постоянного тока и невозможность рассеяния рекуперируемой энергии, в том случае если питающая сеть не сможет принять энергию рекуперации со стороны нагрузки.Known frequency converter (patent RU 2540110 (C2), class Н02М 5/42, 04/23/2013, Reversible frequency converter, authors Gelver A.A., Gelver F.A., Khomyak V.A., Kalinin I.M., Lazarevsky N.A.) containing chokes connected between the AC voltage source and the input terminals of the voltage rectifier, a two-level voltage inverter and a capacitor connected to the output of the voltage rectifier. Moreover, the voltage rectifier is made on six identical semiconductor chains assembled according to the Larionov scheme. Each of the semiconductor circuits contains a transistor and a series-oppositely connected thyristor, and an antiparallel diode is connected in parallel to each of these elements. The advantage of such a circuit is the ability to regulate the DC link voltage both up and down relative to the voltage determined by the uncontrolled voltage rectifier circuit. The disadvantages of the known circuit include the presence of an even larger number of semiconductor circuit elements, and most of which are controllable and, therefore, a more complex hardware and algorithmic part of the control system. The disadvantages of the known circuit include the absence of a DC link brake circuit and the impossibility of dissipating the recovered energy if the supply network cannot receive the recuperation energy from the load side.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь частоты (патент RU 2591054, Преобразователь частоты, класс Н02М 5/458, дата приоритета 16.12.2014 г., дата публикации 10.07.2016 г. автор Гельвер Ф.А.) содержащий систему управления, выпрямитель напряжения, тормозную цепочку, накопительный конденсатор, инвертор напряжения и контактор. Достоинством известного изобретения является простота схемной реализации, наличие тормозной цепи, а также возможность использования тормозного резистора не только для рассеяния энергии рекуперируемой со стороны нагрузки, но и в процессе заряда конденсатора звена постоянного тока посредством силового контактора, осуществляющего коммутацию тормозного резистора либо на режим заряда, либо на режим торможения. Недостатком известной схемы преобразователя частоты является искажение формы напряжения питающей сети, а также отсутствие возможности регулирования напряжения звена постоянного тока.The closest in technical essence is a frequency converter (patent RU 2591054, Frequency converter, class Н02М 5/458, priority date 12/16/2014, publication date 07/10/2016 author Gelver F.A.) containing a control system, voltage rectifier , brake chain, storage capacitor, voltage inverter and contactor. The advantage of the known invention is the simplicity of the circuit implementation, the presence of a braking circuit, as well as the possibility of using a braking resistor not only for dissipating the energy recovered from the load side, but also in the process of charging the DC link capacitor by means of a power contactor that commutes the braking resistor or into the charging mode, or braking mode. The disadvantage of the known circuit of the frequency converter is the distortion of the voltage waveform of the supply network, as well as the inability to regulate the DC link voltage.

Предлагаемый преобразователь частоты с управляемым выпрямителем напряжения позволяет осуществлять работу преобразователя частоты с напряжением, в звене постоянного тока изменяющимся в широком диапазоне и как следствие появляется возможность изменять амплитуду напряжения на выходе преобразователя частоты в стационарных режимах его работы. Предлагаемый преобразователь частоты с управляемым выпрямителем напряжения позволяет значительно расширить функциональные возможности и улучшить эксплуатационные характеристики преобразователя частоты при незначительном усложнении конструкции. При этом преобразователь частоты получается универсальным с возможностью работы с широким диапазоном как входных так и выходных напряжений.The proposed frequency converter with a controlled voltage rectifier allows the frequency converter to operate with a voltage varying in a DC link in a wide range and, as a consequence, it becomes possible to change the voltage amplitude at the output of the frequency converter in stationary modes of its operation. The proposed frequency converter with a controlled voltage rectifier can significantly expand the functionality and improve the performance of the frequency converter with a slight complication of the design. In this case, the frequency converter turns out to be universal with the ability to work with a wide range of both input and output voltages.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в преобразователе частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, содержащем систему управления, контактор, состоящий из контакта и катушки, трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, накопительный конденсатор, инвертор напряжения и тормозную цепочку, причем положительный полюс выпрямителя напряжения соединен с положительными полюсами инвертора напряжения, накопительного конденсатора и тормозной цепочки, состоящей из двух диодов, транзистора и тормозного резистора, причем коллектор транзистора и катод первого диода подключены к положительному полюсу накопительного конденсатора, а эмиттер транзистора и анод первого диода соединены с катодом второго диода и первым выводом тормозного резистора, отрицательный полюс инвертора напряжения соединен с отрицательным полюсом накопительного конденсатора и анодом второго диода тормозной цепочки, отрицательный полюс выпрямителя напряжения соединен со вторым выводом тормозного резистора, а катушка контактора подключена к системе управления, предусмотрены следующие отличия преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения дополнительно содержит дроссели, установленные между фазными выводами питающей сети и выводами переменного тока выпрямителя напряжения, контакт контактора выполнен перекидным, причем общий вывод, которого подключен к отрицательному полюсу выпрямителя напряжения и второму выводу тормозного резистора, вывод нормально - закрытого контакта перекидного контакта контактора подключен к эмиттеру транзистора, вывод нормально - открытого контакта перекидного контакта контактора подключен к отрицательному полюсу накопительного конденсатора.The problem is solved due to the fact that in a frequency converter with an adjustable voltage rectifier containing a control system, a contactor consisting of a contact and a coil, a three-phase full-wave voltage rectifier, a storage capacitor, a voltage inverter and a brake chain, and the positive pole of the voltage rectifier is connected to the positive poles a voltage inverter, a storage capacitor and a braking chain consisting of two diodes, a transistor and a braking resistor, where the collector of the transistor and the cathode of the first diode are connected to the positive pole of the storage capacitor, and the emitter of the transistor and the anode of the first diode are connected to the cathode of the second diode and the first terminal of the braking resistor , the negative pole of the voltage inverter is connected to the negative pole of the storage capacitor and the anode of the second diode of the braking chain, the negative pole of the voltage rectifier is connected to the second terminal of the braking resistor, and the contactor carcass is connected to the control system, the following differences are provided: the frequency converter with an adjustable voltage rectifier additionally contains chokes installed between the phase terminals of the supply network and the alternating current terminals of the voltage rectifier, the contactor contact is made changeover, and the common terminal, which is connected to the negative pole of the voltage rectifier and the second output of the braking resistor, the output of the normally closed changeover contact of the contactor is connected to the emitter of the transistor, the output of the normally open contact of the changeover contact of the contactor is connected to the negative pole of the storage capacitor.

Кроме того преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения может содержать выпрямитель напряжения выполненный полууправляемым и содержит три диода и три тиристора, включенных по схеме трехфазного двухполупериодного моста, причем диоды соединены анодами между собой и образуют отрицательный полюс выпрямителя напряжения, а тиристоры соединены катодами между собой и образуют положительный полюс выпрямителя напряжения, а управляющие электроды тиристоров подключены к системе управления.In addition, a frequency converter with an adjustable voltage rectifier can contain a voltage rectifier made semi-controlled and contains three diodes and three thyristors connected according to the three-phase full-wave bridge circuit, and the diodes are connected by anodes to each other and form the negative pole of the voltage rectifier, and the thyristors are connected by cathodes to each other and form the positive pole of the voltage rectifier, and the control electrodes of the thyristors are connected to the control system.

Кроме того преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения может содержать выпрямитель напряжения выполненный полууправляемым и содержит три диода и три тиристора, включенных по схеме трехфазного двухполупериодного моста, причем диоды соединены катодами между собой и образуют положительный полюс выпрямителя напряжения, а тиристоры соединены анодами между собой и образуют отрицательный полюс выпрямителя напряжения, а управляющие электроды тиристоров подключены к системе управления.In addition, a frequency converter with an adjustable voltage rectifier may contain a semi-controlled voltage rectifier and contains three diodes and three thyristors connected according to the three-phase full-wave bridge circuit, and the diodes are connected by cathodes to each other and form the positive pole of the voltage rectifier, and the thyristors are connected by anodes to each other and form the negative pole of the voltage rectifier, and the control electrodes of the thyristors are connected to the control system.

Кроме того преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения может содержать выпрямитель напряжения выполненный управляемым и содержит шесть тиристоров, включенных по схеме трехфазного двухполупериодного моста, управляющие электроды которых подключены к системе управления.In addition, a frequency converter with an adjustable voltage rectifier may contain a controlled voltage rectifier and contains six thyristors, connected according to the three-phase full-wave bridge circuit, the control electrodes of which are connected to the control system.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.

На Фиг. 1 - представлена схема преобразователя частоты, с регулируемой схемой выпрямителя напряжения позволяющей регулировать напряжение в звене постоянного тока на накопительном конденсаторе выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя; на Фиг. 2 - представлена схема преобразователя частоты с регулируемым выпрямителем напряжения собранного на катодной группе тиристоров и позволяющего регулировать напряжение в звене постоянного тока на накопительном конденсаторе от уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного однополупериодного выпрямителя напряжения до уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя; на Фиг. 3 - представлена схема преобразователя частоты с регулируемым выпрямителем напряжения собранного на анодной группе тиристоров и позволяющего регулировать напряжение в звене постоянного тока на накопительном конденсаторе от уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного однополупериодного выпрямителя напряжения до уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя; на Фиг. 4 - представлена схема преобразователя частоты с регулируемым выпрямителем напряжения собранного на тиристорах и позволяющего регулировать напряжение в звене постоянного тока от нуля до уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя; на Фиг. 5 - представлена схема преобразователя частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, в котором перекидной контакт контактора включен в положительную шину звена постоянного тока преобразователя частоты.FIG. 1 is a diagram of a frequency converter with an adjustable voltage rectifier circuit that allows you to adjust the voltage in the DC link on the storage capacitor above the voltage level determined by the voltage level of an uncontrolled three-phase full-wave rectifier; in FIG. 2 shows a diagram of a frequency converter with an adjustable voltage rectifier collected on the cathode group of thyristors and allowing to regulate the voltage in the DC link on the storage capacitor from the voltage level determined by the voltage level of the uncontrolled three-phase half-wave voltage rectifier to the voltage level higher than the voltage level determined by the voltage level of the uncontrolled three-phase half-wave rectifier rectifier; in FIG. 3 shows a diagram of a frequency converter with an adjustable voltage rectifier collected on the anode group of thyristors and allowing to regulate the voltage in the DC link on the storage capacitor from the voltage level determined by the voltage level of the uncontrolled three-phase half-wave voltage rectifier to the voltage level higher than the voltage level determined by the voltage level of the uncontrolled three-phase half-wave rectifier rectifier; in FIG. 4 shows a diagram of a frequency converter with an adjustable voltage rectifier assembled on thyristors and allowing to regulate the voltage in the DC link from zero to a voltage level higher than the voltage level determined by the voltage level of an uncontrolled three-phase full-wave rectifier; in FIG. 5 is a schematic diagram of a frequency converter with a variable voltage rectifier, in which the changeover contact of the contactor is connected to the positive bus of the DC link of the frequency converter.

Преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, контактор, состоящий из контакта 2 и катушки 3, трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 4, накопительный конденсатор 5, инвертор напряжения 6 и тормозную цепочку 7. Положительный полюс выпрямителя напряжения 4 соединен с положительными полюсами инвертора напряжения 6, накопительного конденсатора 5 и тормозной цепочки 7. Тормозная цепочка 7 состоит из двух диодов 8, 9, транзистора 10 и тормозного резистора 11. Коллектор транзистора 10 и катод первого диода 8 подключены к положительному полюсу накопительного конденсатора 5. Эмиттер транзистора 10 и анод первого диода 8 соединены с катодом второго диода 9 и первым выводом тормозного резистора 11. Отрицательный полюс инвертора напряжения 6 соединен с отрицательным полюсом накопительного конденсатора 5 и анодом второго диода 9 тормозной цепочки 7. Отрицательный полюс выпрямителя напряжения 4 соединен со вторым выводом тормозного резистора 11. Катушка 3 контактора подключена к системе управления 1. Преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения дополнительно содержит дроссели 12-1÷12-3. Дроссели 12-1÷12-3 установлены между фазными выводами питающей сети и выводами переменного тока выпрямителя напряжения 4. Контакт 2 контактора выполнен перекидным, причем общий вывод, которого подключен к отрицательному полюсу выпрямителя напряжения 4 и второму выводу тормозного резистора 11. Вывод нормально - закрытого контакта перекидного контакта 2 контактора подключен к эмиттеру транзистора 10, вывод нормально - открытого контакта перекидного контакта 2 контактора подключен к отрицательному полюсу накопительного конденсатора 5.A frequency converter with an adjustable voltage rectifier, the circuit of which is shown in FIG. 1, contains a control system 1, a contactor consisting of a contact 2 and a coil 3, a three-phase full-wave voltage rectifier 4, a storage capacitor 5, a voltage inverter 6 and a brake circuit 7. The positive pole of the voltage rectifier 4 is connected to the positive poles of the voltage inverter 6, a storage capacitor 5 and brake circuit 7. The brake circuit 7 consists of two diodes 8, 9, a transistor 10 and a braking resistor 11. The collector of the transistor 10 and the cathode of the first diode 8 are connected to the positive pole of the storage capacitor 5. The emitter of the transistor 10 and the anode of the first diode 8 are connected to cathode of the second diode 9 and the first terminal of the braking resistor 11. The negative pole of the voltage inverter 6 is connected to the negative pole of the storage capacitor 5 and the anode of the second diode 9 of the brake chain 7. The negative pole of the voltage rectifier 4 is connected to the second terminal of the braking resistor 11. The contactor coil 3 is connected to control system 1. Frequency converter with adjustable voltage rectifier additionally contains chokes 12-1 ÷ 12-3. Chokes 12-1 ÷ 12-3 are installed between the phase terminals of the supply network and the alternating current terminals of the voltage rectifier 4. Contact 2 of the contactor is made changeover, and the common terminal, which is connected to the negative pole of the voltage rectifier 4 and the second terminal of the braking resistor 11. Output is normal - the closed contact of the changeover contact 2 of the contactor is connected to the emitter of the transistor 10, the output of the normally open contact of the changeover contact 2 of the contactor is connected to the negative pole of the storage capacitor 5.

Преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, схема которого представлена на Фиг. 2, содержит выпрямитель напряжения 4 выполненный полууправляемым. Выпрямитель напряжения 4 содержит три диода 13-1÷13-3 и три тиристора 14-1÷14-3, включенных по схеме трехфазного двухполупериодного моста. Диоды 13-1÷13-3 соединены анодами между собой и образуют отрицательный полюс выпрямителя напряжения 4. Тиристоры 14-1÷14-3 соединены катодами между собой и образуют положительный полюс выпрямителя напряжения 4. Управляющие электроды тиристоров 14-1÷14-3 подключены к системе управления 1.A frequency converter with an adjustable voltage rectifier, the circuit of which is shown in FIG. 2, contains a voltage rectifier 4 made semi-controlled. The voltage rectifier 4 contains three diodes 13-1 ÷ 13-3 and three thyristors 14-1 ÷ 14-3, connected according to the scheme of a three-phase full-wave bridge. Diodes 13-1 ÷ 13-3 are connected by anodes to each other and form a negative pole of a voltage rectifier 4. Thyristors 14-1 ÷ 14-3 are connected by cathodes and form a positive pole of a voltage rectifier 4. Thyristor control electrodes 14-1 ÷ 14-3 connected to the control system 1.

Преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, схема которого представлена на Фиг. 3, содержит выпрямитель напряжения 4 выполненный полууправляемым. Выпрямитель напряжения 4 содержит три диода 13-1÷13-3 и три тиристора 14-1÷14-3, включенных по схеме трехфазного двухполупериодного моста. Диоды 13-1÷13-3 соединены катодами между собой и образуют положительный полюс выпрямителя напряжения 4. Тиристоры 14-1÷14-3 соединены анодами между собой и образуют отрицательный полюс выпрямителя напряжения 4. Управляющие электроды тиристоров 14-1÷14-3 подключены к системе управления 1.A frequency converter with an adjustable voltage rectifier, the circuit of which is shown in FIG. 3, contains a voltage rectifier 4 made semi-controlled. The voltage rectifier 4 contains three diodes 13-1 ÷ 13-3 and three thyristors 14-1 ÷ 14-3, connected according to the scheme of a three-phase full-wave bridge. Diodes 13-1 ÷ 13-3 are connected by cathodes to each other and form a positive pole of the voltage rectifier 4. Thyristors 14-1 ÷ 14-3 are connected by anodes and form a negative pole of the voltage rectifier 4. Control electrodes of thyristors 14-1 ÷ 14-3 connected to the control system 1.

Преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, схема которого представлена на Фиг. 4, содержит выпрямитель напряжения 4 выполненный управляемым. Выпрямитель напряжения 4 содержит шесть тиристоров 14-1÷14-6, включенных по схеме трехфазного двухполупериодного моста. Управляющие электроды тиристоров 14-1÷14-6 подключены к системе управления 1.A frequency converter with an adjustable voltage rectifier, the circuit of which is shown in FIG. 4, contains a voltage rectifier 4 made controlled. The voltage rectifier 4 contains six thyristors 14-1 ÷ 14-6, connected according to the scheme of a three-phase full-wave bridge. The control electrodes of thyristors 14-1 ÷ 14-6 are connected to the control system 1.

Работа преобразователя частоты с регулируемым выпрямителем напряжения происходит следующим образом. При подключении преобразователя частоты (Фиг. 1) к питающей сети начнется заряд накопительного конденсатора 5 по цепи фазы А, В, С, дроссели 12-1÷12-3, трехфазный двухполупериодный выпрямитель 4, положительный полюс выпрямителя напряжения 4, накопительный конденсатор 5, второй диод 9 тормозной цепи 7, нормально - закрытый контакт перекидного контакта 2, отрицательный полюс выпрямителя напряжения 4. При этом ток заряда накопительного конденсатора 5 ограничен величиной индуктивного сопротивления дросселей 12-1÷12-3. Накопительный конденсатор 5 заряжается до уровня напряжения определяемого амплитудой линейного напряжения питающей сети. После заряда накопительного конденсатора 5 преобразователь частоты с регулируемым выпрямителем напряжения готов к работе. Если уровень напряжения звена постоянного тока на накопительном конденсаторе 5 при этом удовлетворяет алгоритму работы преобразователя частоты, то начинается работа инвертора напряжения 6 и целиком всего преобразователя частоты по заданному алгоритму управления. При необходимости повышения напряжения в звене постоянного тока и на входе инвертора напряжения 6 система управления 1 выполняет управление транзистором 10 по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При этом транзистор 10 работает исключительно в ключевом режиме работы. При включении транзистора 10 происходит нарастание тока протекающего через дроссели 12-1÷12-3 при этом они накапливают энергию

, а напряжение на дросселях 12-1÷12-3 определяется согласно

где L - индуктивность дросселя, i_L - ток протекающий через дроссель. При отключении транзистора 10 энергия, накопленная в дросселях 12-1÷12-3, передается через выпрямитель напряжения 4 и второй диод 9 тормозной цепи 7 на заряд накопительного конденсатора 5 и на питание инвертора напряжения 6 и на нагрузку, подключенную на выход преобразователя частоты. При этом напряжение на накопительном конденсаторе 5 определяется уровнем напряжения питающей сети и падением напряжения на дросселях 12-1÷12-3,

, а так же коэффициентом схемы выпрямителя напряжения 4. Второй диод 9 тормозной цепи 7 выполняет роль отсекающего, исключая закорачивание конденсатора 5 при включении транзистора 10. Изменяя величину скважности (отношения времени включенного состояния транзистора к периоду модуляции) работы транзистора 10 при фиксированной частоте ШИМ можно осуществлять регулирование напряжения на дросселях 12-1÷12-3, а соответственно осуществлять регулирование напряжения между плюсовым и минусовым выводами накопительного конденсатора 5 и инвертора напряжения 6. Дроссели 12-1÷12-3 кроме функции накопителя энергии осуществляют сглаживание тока потребляемого преобразователем частоты из питающей сети. При необходимости рассеяния энергии рекуперации от нагрузки инвертора напряжения 6 система управления подаст питание на катушку 3 контактора, который переключит свой перекидной контакт 2, при этом осуществится сборка тормозной цепи 7 для осуществления поглощения рекуперируемой энергии. При этом при включении транзистора 10 будет осуществляться рассеяние рекуперируемой энергии на тормозном резисторе 11. Следует отметить, что транзистор 10 работает в ключевом режиме работы по закону управления ШИМ. Изменяя величину скважности (отношения времени включенного состояния транзистора к периоду модуляции) работы транзистора 10 при фиксированной частоте ШИМ можно осуществлять регулирование рекуперируемой энергии рассеиваемой на тормозном резисторе 11. Схема преобразователя частоты, изображенная на Фиг. 1 позволяет осуществлять регулирование напряжения на накопительном конденсаторе только выше уровня определяемого уровнем напряжения трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения.The operation of a frequency converter with an adjustable voltage rectifier is as follows. When the frequency converter (Fig. 1) is connected to the mains, the storage capacitor 5 will start charging along the circuit of phases A, B, C, chokes 12-1 ÷ 12-3, three-phase full-wave rectifier 4, positive pole of the voltage rectifier 4, storage capacitor 5, the second diode 9 of the brake circuit 7, normally closed contact of the changeover contact 2, the negative pole of the voltage rectifier 4. In this case, the charge current of the storage capacitor 5 is limited by the inductive resistance of the chokes 12-1 ÷ 12-3. The storage capacitor 5 is charged to a voltage level determined by the amplitude of the line voltage of the supply network. After charging the storage capacitor 5, the frequency converter with a variable voltage rectifier is ready for operation. If the voltage level of the DC link on the storage capacitor 5 at the same time satisfies the operation algorithm of the frequency converter, then the operation of the voltage inverter 6 and the entire frequency converter begins according to the given control algorithm. If it is necessary to increase the voltage in the DC link and at the input of the voltage inverter 6, the control system 1 controls the transistor 10 according to the law of pulse-width modulation (PWM). In this case, the transistor 10 operates exclusively in the key mode of operation. When the transistor 10 is turned on, the current flowing through the chokes 12-1 ÷ 12-3 increases, while they accumulate energy

, and the voltage across chokes 12-1 ÷ 12-3 is determined according to

where L is the inductance of the choke, i _L is the current flowing through the choke. When the transistor 10 is turned off, the energy stored in the chokes 12-1 ÷ 12-3 is transferred through the voltage rectifier 4 and the second diode 9 of the brake circuit 7 to the charge of the storage capacitor 5 and to the power supply of the voltage inverter 6 and to the load connected to the output of the frequency converter. In this case, the voltage across the storage capacitor 5 is determined by the voltage level of the supply network and the voltage drop across the chokes 12-1 ÷ 12-3,

, as well as the coefficient of the voltage rectifier circuit 4. The second diode 9 of the brake circuit 7 acts as a cut-off, excluding the short-circuiting of the capacitor 5 when the transistor 10 is turned on. By changing the duty cycle (the ratio of the time of the on-state of the transistor to the modulation period) of the operation of the transistor 10 at a fixed PWM frequency, to regulate the voltage on chokes 12-1 ÷ 12-3, and, accordingly, to regulate the voltage between the plus and minus terminals of the storage capacitor 5 and the voltage inverter 6. Chokes 12-1 ÷ 12-3, in addition to the energy storage function, smooth the current consumed by the frequency converter from supply network. If it is necessary to dissipate the regenerative energy from the load of the voltage inverter 6, the control system will supply power to the coil 3 of the contactor, which will switch its changeover contact 2, and the brake circuit 7 will be assembled to absorb the recovered energy. In this case, when the transistor 10 is turned on, dissipation of the recovered energy will be carried out on the braking resistor 11. It should be noted that the transistor 10 operates in a key mode of operation according to the PWM control law. By changing the value of the duty cycle (the ratio of the on-state time of the transistor to the modulation period) of the operation of the transistor 10 at a fixed PWM frequency, it is possible to regulate the recovered energy dissipated on the braking resistor 11. The circuit of the frequency converter shown in FIG. 1 allows to regulate the voltage on the storage capacitor only above the level determined by the voltage level of a three-phase full-wave uncontrolled voltage rectifier.

Схема преобразователя частоты с регулируемым выпрямителем напряжения, изображенная на Фиг. 2 позволяет осуществлять регулирование напряжения в звене постоянного тока от уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного однополупериодного выпрямителя напряжения до уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя. Следовательно, появляется возможность регулирования амплитуды напряжения на выходе инвертора напряжения 6 либо амплитуды напряжения на выходе преобразователя частоты. Достоинством такой схемы является возможность ограничения тока заряда накопительного конденсатора 5 с помощью системы управления 1 которая ограничивает угол открытия тиристоров 14-1÷14-3 с использованием фазового управления. В режиме заряда накопительного конденсатора 5, а так же при необходимости снижения напряжения на накопительном конденсаторе 5 ниже уровня определяемого напряжением трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения система управления должна подать напряжение на катушку 3 контактора. При этом перекидной контакт 2 контактора изменит свое состояние и зашунтирует цепь образованную вторым диодом 9 тормозной цепи 7. В этом случае из силовой цепи исключается второй диод 9 тормозной цепи 7 а, следовательно, второй диод 9 исключается из работы, и снижаются потери в преобразователе частоты. Система управления 1 осуществляет управление углом фазового управления тиристоров 14-1÷14-3 будет регулировать напряжение на накопительном конденсаторе 5 от уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения трехфазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя, а также может осуществлять отключение звена постоянного тока преобразователя частоты от питающей сети при закрытии тиристоров 14-1÷14-3. Работа схемы изображенной на Фиг. 2 в режиме повышения напряжения на накопительном конденсаторе выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя напряжения аналогична работе схемы изображенной на Фиг. 1 и описанного ранее. В этом режиме работы катушка 3 контактора должна быть обесточена а перекидной контакт 2 должен находится в исходном состоянии.The circuit of a frequency converter with a variable voltage rectifier shown in FIG. 2 allows you to regulate the voltage in the DC link from the voltage level determined by the voltage level of an uncontrolled three-phase half-wave voltage rectifier to a voltage level higher than the voltage level determined by the voltage level of an uncontrolled three-phase full-wave rectifier. Consequently, it becomes possible to regulate the voltage amplitude at the output of the voltage inverter 6 or the voltage amplitude at the output of the frequency converter. The advantage of such a circuit is the ability to limit the charge current of the storage capacitor 5 using the control system 1, which limits the opening angle of thyristors 14-1 ÷ 14-3 using phase control. In the charging mode of the storage capacitor 5, as well as when it is necessary to reduce the voltage on the storage capacitor 5 below the level of the voltage-determined three-phase full-wave uncontrolled rectifier voltage, the control system must supply voltage to the coil 3 of the contactor. In this case, the changeover contact 2 of the contactor will change its state and bypass the circuit formed by the second diode 9 of the brake circuit 7. In this case, the second diode 9 of the brake circuit 7 is excluded from the power circuit and, therefore, the second diode 9 is excluded from operation, and the losses in the frequency converter are reduced ... Control system 1 controls the angle of phase control of thyristors 14-1 ÷ 14-3 will regulate the voltage on the storage capacitor 5 from the voltage level determined by the voltage level of the three-phase half-wave uncontrolled rectifier, and can also disconnect the DC link of the frequency converter from the mains when closing thyristors 14-1 ÷ 14-3. The operation of the circuit shown in FIG. 2 in the mode of increasing the voltage on the storage capacitor above the voltage level determined by the voltage level of the three-phase full-wave uncontrolled voltage rectifier is similar to the operation of the circuit shown in FIG. 1 and previously described. In this operating mode, the coil 3 of the contactor must be de-energized and the changeover contact 2 must be in its original state.

Отличительной особенностью схемы преобразователя частоты, с управляемым выпрямителем, изображенной на Фиг. 3 от схемы преобразователя частоты изображенной на Фиг. 2 является разное расположение тиристоров 14-1÷14-3 и диодов 13-1÷13-3. В варианте схемы изображенной на Фиг. 2 тиристоры 14-1÷14-3 включены в катодную группу. В варианте схемы изображенной на Фиг. 3 тиристоры 14-1÷14-3 включены в анодную группу при этом функциональные возможности схем абсолютно одинаковые.A distinctive feature of the frequency converter circuit with a controlled rectifier shown in FIG. 3 from the frequency converter circuit shown in FIG. 2 is a different arrangement of thyristors 14-1 ÷ 14-3 and diodes 13-1 ÷ 13-3. In a variant of the circuit shown in FIG. 2 thyristors 14-1 ÷ 14-3 are included in the cathode group. In a variant of the circuit shown in FIG. 3 thyristors 14-1 ÷ 14-3 are included in the anode group, while the functional capabilities of the circuits are absolutely the same.

На Фиг. 4 представлена схема преобразователя частоты, выпрямитель напряжения 4, которой собран управляемым на тиристорах 14-1÷14-6. При этом появляется возможность осуществлять регулирование напряжения в звене постоянного тока на накопительном конденсаторе 5 от нуля до уровня напряжения выше уровня напряжения определяемого уровнем напряжения неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя. Работа схемы изображенной на Фиг. 4 аналогична работе схемы изображенной на Фиг. 2 (Фиг. 3) за тем лишь исключением, что в режиме снижения напряжения на накопительном конденсаторе 5 ниже уровня напряжения определяемого трехфазным двухполупериодным неуправляемым выпрямителем напряжения осуществляется с помощью шести тиристоров 14-1÷14-6. Схема преобразователя частоты, изображенная на Фиг. 4 обеспечивает больший диапазон регулирования, а так же лучшее качество напряжения звена постоянного тока при прочих равных условиях.FIG. 4 shows a diagram of a frequency converter, voltage rectifier 4, which is assembled to be controlled on thyristors 14-1 ÷ 14-6. In this case, it becomes possible to regulate the voltage in the DC link on the storage capacitor 5 from zero to a voltage level above the voltage level determined by the voltage level of an uncontrolled three-phase full-wave rectifier. The operation of the circuit shown in FIG. 4 is similar to the operation of the circuit shown in FIG. 2 (Fig. 3) with the only exception that in the mode of voltage reduction on the storage capacitor 5 below the voltage level determined by the three-phase full-wave uncontrolled rectifier, the voltage is carried out using six thyristors 14-1 ÷ 14-6. The frequency converter circuit shown in FIG. 4 provides a wider range of regulation, as well as better quality of the DC link voltage, all other things being equal.

Следует отметить, что перекидной контакт 2 контактора может быть установлен в положительную шину звена постоянного тока преобразователя частоты, схема такого преобразователя частоты изображена на Фиг. 5.It should be noted that the changeover contact 2 of the contactor can be installed in the positive bus of the DC link of the frequency converter, the circuit of such a frequency converter is shown in FIG. five.

Предлагаемый преобразователь частоты с управляемым выпрямителем напряжения позволяет осуществлять работу преобразователя частоты с напряжением на накопительном конденсаторе изменяющимся в широком диапазоне и как следствие появляется возможность изменять амплитуду напряжения преобразователя частоты в стационарных режимах его работы. Предлагаемый преобразователь частоты с управляемым выпрямителем напряжения позволяет значительно расширить функциональные возможности и улучшить эксплуатационные характеристики преобразователя частоты при незначительном усложнении конструкции. При этом преобразователь частоты получается универсальным с возможностью работы с широким диапазоном как входных, так и выходных напряжений.The proposed frequency converter with a controlled voltage rectifier allows the frequency converter to operate with the voltage across the storage capacitor varying in a wide range and, as a result, it becomes possible to change the voltage amplitude of the frequency converter in stationary modes of its operation. The proposed frequency converter with a controlled voltage rectifier can significantly expand the functionality and improve the performance of the frequency converter with a slight complication of the design. At the same time, the frequency converter turns out to be universal with the ability to work with a wide range of both input and output voltages.

Claims

1. A frequency converter with a variable voltage rectifier containing a control system, a contactor consisting of a contact and a coil, a three-phase full-wave voltage rectifier, a storage capacitor, a voltage inverter and a braking circuit, and the positive pole of the voltage rectifier is connected to the positive poles of the voltage inverter, a storage capacitor and braking chain, consisting of two diodes, a transistor and a braking resistor, and the collector of the transistor and the cathode of the first diode are connected to the positive pole of the storage capacitor, and the emitter of the transistor and the anode of the first diode are connected to the cathode of the second diode and the first terminal of the braking resistor, the negative pole of the voltage inverter is connected with the negative pole of the storage capacitor and the anode of the second diode of the braking chain, the negative pole of the voltage rectifier is connected to the second terminal of the braking resistor, and the contactor coil is connected to the control system , characterized in that the frequency converter with an adjustable voltage rectifier additionally contains chokes installed between the phase terminals of the supply network and the AC terminals of the voltage rectifier, the contact of the contactor is made changeover, and the common terminal of which is connected to the negative pole of the voltage rectifier and the second terminal of the braking resistor, the terminal the normally closed changeover contact of the contactor is connected to the emitter of the transistor, the output of the normally open contact of the changeover contact of the contactor is connected to the negative pole of the storage capacitor.

2. A frequency converter with an adjustable voltage rectifier according to claim 1, characterized in that the voltage rectifier is semi-controlled and contains three diodes and three thyristors connected according to the three-phase full-wave bridge circuit, and the diodes are connected by anodes to each other and form a negative pole of the voltage rectifier, and the thyristors are connected by cathodes to each other and form a positive pole of the voltage rectifier, and the control electrodes of the thyristors are connected to the control system.

3. A frequency converter with an adjustable voltage rectifier according to claim 1, characterized in that the voltage rectifier is semi-controllable and contains three diodes and three thyristors connected according to the three-phase full-wave bridge circuit, and the diodes are connected by cathodes to each other and form a positive pole of the voltage rectifier, and the thyristors are connected by anodes to each other and form a negative pole of the voltage rectifier, and the control electrodes of the thyristors are connected to the control system.

4. A frequency converter with an adjustable voltage rectifier according to claim 1, characterized in that the voltage rectifier is controllable and contains six thyristors connected according to the three-phase full-wave bridge circuit, the control electrodes of which are connected to the control system.