Преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией для электроприводов с вентиляторным характером нагрузки

 

Полезная модель относится к электроприводу и, в частности, к преобразователям частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и может найти применение в электроприводах вентиляторов и центробежных насосов, а также других механизмов, обладающих вентиляторной характеристикой нагрузки.

Технический результат полезной модели - повышение надежности и срока службы, улучшение массогабаритных характеристик преобразователя частоты.

Преобразователь содержит: выпрямитель 1, инвертор 2 с ШИМ и блок 3 управления преобразователем. Накопительный конденсатор 4 и датчик 5 выпрямленного напряжения установлены на входе инвертора 2. Блок 3 снабжен задающими входами 6, 7 и входом 8 контроля. На вход 6 подается сигнал Uзад, задающий величину выходного напряжения преобразователя, на вход 7 - сигнал F зад, задающий частоту этого напряжения. К входу 8 подсоединен выход датчика 5.

Блок 3 выполнен с возможностью модуляции сигнала, поступившего на задающий вход напряжения, в обратной зависимости от нормированного значения сигнала на входе контроля, а емкость Cнак накопительного конденсатора 4 лежит в пределах

,

где Lст - максимальная индуктивность статора двигателя, питаемого преобразователем частоты, (Гн), Iмакс - максимально допустимый выходной ток преобразователя частоты (А), Uдоп - допустимое значение напряжения на входе инвертора (В), Uвыпр - напряжение на выходе выпрямителя при максимально допустимом напряжении питающей сети (В). 2 з.п.ф., 1 ил.

Область техники

Полезная модель относится к электроприводу и, в частности, к преобразователям частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и может найти применение в электроприводах вентиляторов и центробежных насосов, а также других механизмов, обладающих вентиляторной характеристикой нагрузки.

Уровень техники

Известен, выбранный в качестве прототипа, преобразователь частоты, содержащий выпрямитель, инвертор с ШИМ, блок управления преобразователем, снабженный задающими входами напряжения и частоты, и установленные на входе инвертора накопительный конденсатор и датчик выпрямленного напряжения [RU 2374751].

В прототипе используется накопительный конденсатор в виде электролитического конденсатора большой емкости (несколько тысяч мкф), функции которого состоят в подавлении низкочастотных пульсаций выпрямленного напряжения (в случае питания трехфазного мостового выпрямителя от сети 50 Гц основная частота пульсаций составляет 300 Гц), попадающих в выходное напряжение преобразователя, и в ограничении всплесков напряжения на полупроводниковых модулях инвертора и выпрямителя, возникающих при колебаниях нагрузки и остановах электропривода, которые сопровождаются возвратом в преобразователь запасенной электромагнитной и механической энергии.

Недостаток прототипа - пониженный срок службы и увеличенные габариты из-за необходимости использования электролитических конденсаторов большой емкости, выполняющих обе вышеуказанные функции.

Раскрытие полезной модели

Технический результат полезной модели - повышение надежности и срока службы, улучшение массогабаритных характеристик преобразователя частоты.

Предметом полезной модели является преобразователь частоты, содержащий выпрямитель, датчик выпрямленного напряжения, инвертор с ШИМ, блок управления, снабженный задающими входами напряжения и частоты и входом контроля, подключенным к выходу датчика выпрямленного напряжения, и накопительный конденсатор, установленный на входе инвертора, отличающийся тем, что блок управления выполнен с возможностью модуляции сигнала, поступившего на задающий вход напряжения, в обратной зависимости от нормированного значения сигнала на входе контроля, а емкость Cнак накопительного конденсатора лежит в пределах

где Lст - максимальная индуктивность статора двигателя, питаемого преобразователем частоты, (Гн), Iмакс - максимально допустимый выходной ток преобразователя частоты (A), Uдоп - допустимое значение напряжения на входе инвертора (B), Uвыпр - напряжение на выходе выпрямителя при максимально допустимом напряжении питающей сети (B).

Это позволяет получить вышеуказанный технический результат.

Полезная модель имеет два развития, относящиеся к частным случаям ее осуществления и состоящие в том, что блок управления выполнен с возможностью задержки указанной модуляции на период пульсации выпрямленного напряжения, и в том, что накопительный конденсатор зашунтирован варистором.

Осуществление полезной модели с учетом ее развитей

На фигуре приведена функциональная схема, иллюстрирующая осуществление заявляемого преобразователя.

На схеме показаны: выпрямитель 1, инвертор 2 с ШИМ, и блок 3 управления преобразователем, накопительный конденсатор 4, установленный на входе инвертора 2, и датчик 5 выпрямленного напряжения. Блок 3 снабжен задающими входами 6, 7 и входом 8 контроля. На вход 6 подается сигнал U зад, задающий величину выходного напряжения преобразователя, на вход 7 - сигнал Fзад, задающий частоту этого напряжения. К входу 8 подсоединен выход датчика 5.

Блок 3 представляет собой программируемый микроконтроллер, снабженный усиленными выходами для управления ключами инвертора 2 и аналого-цифровым преобразователем 9 (АЦП) для преобразования поступающих в блок 3 аналоговых сигналов. На схеме условно показаны элементы, отражающие функции, выполняемые блоком 3: блок 10 формирования ШИМ, управляющий ключами инвертора 2, делитель 11 и модулятор 12, элемент задержки 13.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Из напряжения питающей сети выпрямитель 1 формирует пульсирующее выпрямленное напряжение, которое поступает на вход инвертора 2. Инвертор 2 под управлением блока 10 преобразует методом ШИМ выпрямленное напряжение в переменное напряжение, величина и частота которого задаются сигналами на входах 6 и 7 соответственно.

Модуляция сигнала, поступившего на задающий вход 6, в обратной зависимости от нормированного значения сигнала на входе 8 осуществляется следующим образом.

Пульсирующее выпрямленное напряжение Ud (t), поступившее с датчика 5 на вход 8 блока 3, оцифровывается с помощью АЦП 9. Затем в цифровом виде формируется величина U dном/Ud, обратная нормированной (относительно номинального значения Udном) величине Ud /Udном выпрямленного напряжения. Этой функции на схеме соответствует делитель 11. На его выходе формируются мгновенные значения величины Udном/Ud, которые, отражая пульсации выпрямленного напряжения, колеблются вокруг единицы. С выхода делителя 11 величина Udном/Ud поступает на модулятор 12, на другой вход которого подается сигнал Uзад с входа 6. Сигнал, поступающий с выхода модулятора 12 в блок 10, представляет собой произведение Uзад на Udном/Ud, т.е. сигнал Uзад , модулированный в обратной зависимости от нормированного значения Ud/Udном сигнала Ud(t) на входе 8. При Ud=Udном сигнал Uзад проходит через модулятор 12 на блок 10 без изменения, при U d<Udном на блок 10 поступает сигнал больше, чем Uзад, а при Ud>Udном - меньше, чем Uзад.

В результате такой модуляции, блок 10 управляет ключами инвертора 2 так, что пульсации выпрямленного напряжения Ud компенсируются соответствующими изменениями скважности широтно-модулированного напряжения и не отражаются на действующем значении выходного напряжения преобразователя. Это позволяет снять функцию подавления низкочастотных пульсаций выпрямленного напряжения с накопительного конденсатора 4.

Из всех классов механизмов, снабжаемых частотно-регулируемым электроприводом, одним из наиболее значительных по объему является класс механизмов с вентиляторным характером нагрузки, включающий центробежные насосы и вентиляторы. Особенностью данного класса механизмов является отсутствие резких колебаний нагрузки на валу двигателя и, соответственно, колебаний ротора, сопровождающихся возвратом механической энергии в преобразователь. При остановах механизмов этого класса в преобразователь возвращается только электромагнитная энергия, запасенная в статорных обмотках электродвигателя, питаемого преобразователем.

В электроприводах с вентиляторной характеристикой нагрузки для выполнения оставшейся функции - ограничения всплесков напряжения на уровне Uдоп достаточна емкость Cнак, определяемая выражением (1), значение которой составляет десятки мкФ. Конденсатор 4 такой емкости может быть пленочным или керамическим и, следовательно, нет необходимости в использовании электролитического конденсатора большой емкости, ухудшающего надежность, срок службы и массогабаритные характеристики преобразователя.

Нижняя граница указанного в выражении (1) диапазона емкости Cнак ограничена превышением Uдоп, а верхняя - неоправданным увеличением габаритов накопительного конденсатора 4.

В тех случаях, когда время выполнения программируемым блоком 3 такой компенсации составляет значительную часть периода пульсации выпрямленного напряжения, модуляция сигнала Uзад осуществляется с задержкой на период пульсации выпрямленного напряжения. Эту задержку отражает на схеме элемент 13.

Для защиты от перенапряжений вход инвертора 2 может быть дополнительно зашунтирован варистором 14.

1. Преобразователь частоты, содержащий выпрямитель, датчик выпрямленного напряжения, инвертор с широтно-импульсной модуляцией, блок управления, снабженный задающими входами напряжения и частоты и входом контроля, подключенным к выходу датчика выпрямленного напряжения, и накопительный конденсатор, установленный на входе инвертора, отличающийся тем, что блок управления выполнен с возможностью модуляции сигнала, поступившего на задающий вход напряжения, в обратной зависимости от нормированного значения сигнала на входе контроля, а емкость Снак накопительного конденсатора лежит в пределах

где Lст - максимальная индуктивность статора двигателя, питаемого преобразователем частоты, I макс - максимально допустимый выходной ток преобразователя частоты, Uдоп - максимально допустимое значение напряжения на входе инвертора, Uвыпр - напряжение на выходе выпрямителя при максимально допустимом напряжении питающей сети.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок управления выполнен с возможностью задержки указанной модуляции на период пульсации выпрямленного напряжения.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что накопительный конденсатор зашунтирован варистором.



 

Наверх