Интегрально-модульный статический преобразователь частоты и силовой модуль, используемый в нем

Полезные модели относятся к области электротехники, в частности, к статическим преобразователям частоты, и могут быть использованы в мощных источниках бесперебойного питания, а также в преобразователях частоты различного назначения с повышенными требованиями к параметрам выходного напряжения. Технический результат заключается в повышении стабильности параметров выходных сигналов устройства. Интегрально-модульный статический преобразователь частоты, содержит силовые модули, входы которых являются входами для подключения источника питания, выходы силовых модулей соединены параллельно и являются выходами для подключения нагрузки, выходы блока' контроля и управления ведущего модуля соединены с управляющими входами соответствующих ведомых силовых модулей, входы ведущего блока контроля и управления соединены с выходами каналов контроля перегрузки силовых модулей. Силовой модуль содержит последовательно соединенные блок входных фильтров, входы которого являются входами силового модуля для подключения источника питания, блок защиты от перегрузок по току и напряжению, выпрямитель, буферный емкостной накопитель, силовой преобразователь-инвертор и блок выходных фильтров, выходы которого является выходами силового модуля, блок контроля и управления, блок токовой защиты, входы которого соединены с дополнительными выходами силового преобразователя-инвертора, на которых формируются сигналы, пропорциональные величине тока соответствующей фазы на выходах силового преобразователя-инвертора, выходы блока токовой защиты соединены с первыми входами блока контроля и управления, второй вход которого является входом управления режимом работы модуля, первые выходы блока управления соединены с первыми управляющими входами силового преобразователя-инвертора, второй выход блока управления является выходом канала контроля перегрузки силового модуля,

силовой преобразователь-инвертор снабжен блоком стабилизации амплитуды и фазы выходного напряжения, включенным между выходами силового преобразователя-инвертора и его вторыми управляющими входами, вход цепи синхронизации силового преобразователя-инвертора соединен с третьим входом блока управления, являющимся входом синхронизации силового модуля, третий выход блока управления является выходом синхронизации силового модуля.

Полезные модели относятся к области электротехники, в частности, к статическим преобразователям частоты, и могут быть использованы в мощных источниках бесперебойного питания, а также в преобразователях частоты различного назначения с повышенными требованиями к параметрам выходного напряжения.

Известен регулируемый преобразователь напряжения с изменением частоты выходного напряжения содержащий последовательно соединенные выпрямитель, инвертор, регулирующий орган дискретного действия, реверсивный выпрямитель и фильтр, генератор тактовых импульсов, выход которого подсоединен к управляющему входу инвертора, преобразователь кодов, подсоединенный выходом к управляющему входу регулирующего органа, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с входом преобразователя кодов, и блок управления реверсивным выпрямителем, вход которого соединен с входом устройства, а выход - с управляющим входом реверсивного выпрямителя (US 1201985, Н 02 М 5/16, 1985).

Недостатком известного преобразователя напряжения является повышенные энергопотери в цепях преобразования и как следствие необходимость использования принудительного теплоотвода.

В качестве прототипа интегрально-модульного статического преобразователя частоты принят интегрально-модульный статический преобразователь частоты, содержащий, по крайней мере, две силовые ячейки, параллельно подключенные к трехфазной нагрузке, первые входы которых являются входами для подключения первичного источника трехфазной сети, блок контроля и управления, генератор трехфазного синусоидального напряжения и блок стабилизации, одни из входов которого подключены к соответствующим фазам нагрузки, а другие к соответствующим выходам генератора трехфазного синусоидального напряжения, другие выходы которого соединены с первыми входами блока контроля и управления, первые выходы блока стабилизации соединены со вторыми входами

силовых ячеек, а вторые - со вторыми входами блока контроля и управления, выходы силовых ячеек, предназначенные для передачи сигналов несущих информацию об аварии и перегрузке, подключены к соответствующим входам блока контроля и управления (см. RU 33835 U1, 10.11.03).

К недостаткам известного интегрально-модульного статического преобразователя частоты следует отнести недостаточно высокую стабильность параметров выходных сигналов и отсутствие возможности регулирования (подстройки) напряжения на удаленной нагрузке (для компенсации падения напряжения в подводящих проводах).

Относительно невысокая стабильность преобразователя частоты обусловлена структурой построения схемы стабилизации, являющейся общей для всех силовых ячеек, при которой не исключается взаимовлияние силовых ячеек.

Технический результат заключается в повышении стабильности параметров выходных сигналов устройства и возможности регулировки напряжения на нагрузке и возможности увеличения выходной мощности.

Технический результат достигается тем, что в интегрально-модульном статическом преобразователе частоты, содержащем силовые модули, входы которых являются входами для подключения источника питания, выходы силовых модулей соединены параллельно и являются выходами для подключения нагрузки, выходы блока контроля и управления ведущего модуля соединены с управляющими входами соответствующих ведомых силовых модулей, входы блока контроля и управления ведущего модуля соединены с выходами каналов контроля перегрузки силовых модулей, каждый силовой модуль снабжен блоком стабилизации амплитуды и фазы выходного напряжения и цепью синхронизации, при этом силовые модули включены в канал синхронизации, образованный соединением выхода синхронизации ведущего силового модуля с входами синхронизации остальных силовых модулей.

Кроме того, ведущий модуль выполнен с возможностью регулировки амплитуды выходного напряжения непосредственно на модуле или с возможностью дистанционной регулировки амплитуды выходного напряжения.

В качестве прототипа силового модуля интегрально-модульного статического преобразователя частоты принята силовая ячейка, содержащая последовательно

соединенные блок входных фильтров, входы которого являются первыми входами силового модуля, блок защиты от перегрузок по току и напряжению, выпрямитель, буферный емкостной накопитель, блок силового преобразователя-инвертора и блок выходных фильтров, выходы которого являются выходами силового модуля, блок управления модулем, блок токовой защиты, входы которого соединены с выходами силового преобразователя-инвертора, на которых имеются сигналы, пропорциональные величине тока соответствующей фазы на выходах силового преобразователя-инвертора, выходы блока токовой защиты соединены с входами блока управления модулем, одни из выходов которого соединены с соответствующими входами силового преобразователя-инвертора, другие входы блока управления модулем, предназначены для подключения первых выходов блока стабилизации интегрально-модульного статического преобразователя частоты, у блока управления модулем имеются выходы, позволяющие снять с них информацию соответственно об аварии и перегрузке (см. RU 33835 U1, 10.11.03).

Недостатком силового модуля интегрально-модульного статического преобразователя частоты является относительно не высокая стабильность параметров ее выходных сигналов и отсутствие возможности регулирования (подстройки) напряжения на удаленной нагрузке (для компенсации падения напряжения в подводящих проводах).

Относительно невысокая стабильность выходного сигнала обусловлена отсутствием в силовом модуле независимого средства стабилизации, исключающего влияние дестабилизирующего воздействия других силовых модулей, работающих на общую нагрузку.

Технический результат заключается в повышении стабильности параметров выходных сигналов силового модуля интегрально-модульного статического преобразователя частоты и возможности плавной регулировки выходного напряжения.

Технический результат достигается тем, что в силовом модуле, содержащем последовательно соединенные блок входных фильтров, входы которого являются входами силового модуля для подключения источника питания, блок защиты от перегрузок по току и напряжению, выпрямитель, буферный емкостной накопитель, силовой преобразователь-инвертор и блок выходных фильтров,

выходы которого является выходами силового модуля, блок контроля и управления модуля, блок токовой защиты, входы которого соединены с дополнительными выходами силового преобразователя-инвертора, на которых формируются сигналы, пропорциональные величине тока соответствующей фазы на выходах силового преобразователя-инвертора, выходы блока токовой защиты соединены с первыми входами блока контроля и управления, второй вход которого является входом управления режимом работы модуля, первые выходы блока управления соединены с первыми управляющими входами силового преобразователя-инвертора, второй выход блока управления является выходом канала контроля перегрузки силового модуля, силовой преобразователь-инвертор снабжен цепью синхронизации и блоком стабилизации амплитуды и фазы выходного напряжения, входы которого соединены с выходами силового преобразователя-инвертора, а выходы блока стабилизации амплитуды и фазы выходного напряжения соединены со вторыми управляющими входами силового преобразователя-инвертора, вход цепи синхронизации соединен с третьим входом блока управления, являющимся входом синхронизации силового модуля, третий выход блока управления является выходом синхронизации силового модуля.

Кроме того, силовой преобразователь инвертор в модуле выполнен с возможностью регулирования амплитуды выходного напряжения непосредственно на модуле или с возможностью дистанционного регулирования амплитуды выходного напряжения.

На чертеже (рис.1) представлена структурная схема интегрально-модульного статического преобразователя частоты. На рис.2 представлена структурная схема силового модуля интегрально-модульного статического преобразователя частоты. На рис.1 и рис.2 приведены схемы для трехфазного устройства, а на рис. 3 и рис.4 приведены те же схемы однофазного устройства.

Интегрально-модульный статический преобразователь частоты, содержит силовые модули 1, 2, 3, 4, 5, входы которых являются входами для подключения источника питания (380 В 50 Гц), выходы силовых модулей 1, 2, 3, 4, 5 (выходное напряжение 220 В 400 Гц) соединены параллельно и являются выходами для подключения нагрузки, каждый силовой модуль снабжен блоком стабилизации амплитуды и фазы выходного напряжения и цепью синхронизации, блок 12

контроля и управления ведущего модуля 5 соединен с управляющими входами соответствующих силовых модулей 1, 2, 3, 4, входы блока 12 контроля и управления ведущего модуля 5 соединены с выходами каналов контроля перегрузки силовых модулей 1, 2, 3, 4. Силовой модуль содержит последовательно соединенные блок 6 входных фильтров, входы которого являются входами силового модуля для подключения, в частности, трехфазного источника питания, блок 7 защиты от перегрузок по току и напряжению, выпрямитель 8, буферный емкостной накопитель 9, силовой преобразователь-инвертор 10 и блок 11 выходных фильтров, выходы которого является выходами силового модуля, блок 12 контроля и управления, блок 13 токовой защиты, входы которого соединены с дополнительными выходами силового преобразователя-инвертора 10, на которых формируются сигналы, пропорциональные величине тока соответствующей фазы на выходах силового преобразователя-инвертора, выходы блока 13 токовой защиты соединены с первыми входами блока 12 управления, второй вход которого является входом управления режимом работы модуля, первые выходы блока 12 управления соединены с первыми управляющими входами силового преобразователя-инвертора 10, второй выход блока 12 контроля и управления является выходом канала контроля перегрузки силового модуля, силовой преобразователь-инвертор 10 снабжен блоком 14 стабилизации амплитуды и фазы выходного напряжения, включенным между выходами силового преобразователя-инвертора 10 и его вторыми управляющими входами, вход цепи синхронизации силового преобразователя-инвертора 10 соединен с третьим входом блока 12 управления, являющимся входом синхронизации силового модуля, третий выход блока 12 управления является выходом синхронизации силового модуля.

Интегрально-модульный статический преобразователь частоты работает следующим образом.

Входы силовых модулей 1-5 подключают к трехфазному источнику питания. Питающее напряжение в каждом силовом модуле через блок 6 входных фильтров и блок 7 защиты от перегрузок по току и напряжению, поступает на вход трехфазного выпрямителя 8. Блок 6 входных фильтров обеспечивает защиту интегрально-модульного статического преобразователя частоты от воздействия внешних помех, которые могут возникнуть в источнике питания, а также и в цепях,

соединяющих этот источник с входами силовых модулей 1-5. Блок 6 входных фильтров предотвращает также проникновения в источник питающего напряжения помех, в случае возникновения их в силовом модуле. Блок 7 защиты от перегрузок по току и напряжению обеспечивает защиту при колебаниях входного питающего напряжения, в частности, ограничивает пусковые токи и выбросы входного напряжения, возникающие в моменты включения или отключения устройства. Поступившее на вход трехфазного выпрямителя 8 переменное напряжение преобразуется в постоянное. С выхода трехфазного выпрямителя 8 постоянное напряжение через буферный емкостной накопитель 9, выполняющий функции источника постоянного напряжения и сглаживающий колебания напряжения на выходе, поступает на вход силового преобразователя-инвертора 10. Силовой преобразователь-инвертор 10 преобразует входное постоянное напряжение в трехфазное (или однофазное) переменное напряжение синусоидальной формы с заданной частотой и амплитудой, которое через блок 11 выходных фильтров подается на подключенную к выходу интегрально-модульного статического преобразователя частоты нагрузку. Силовой преобразователь инвертор Юсодержит средства позволяющие осуществлять регулировку выходного напряжения непосредственно на силовом модуле, а также производить дистанционную регулировку выходного напряжения. Регулировка выходного напряжения необходима для компенсации падения напряжения на проводах соединяющих выход модуля (устройства ИМ-СПЧ) с нагрузкой.

Блок 13 токовой защиты подключен к дополнительным выходам силового преобразователя-инвертора 10, на которых формируются сигналы, пропорциональные величине тока соответствующей фазы на выходах силового преобразователя-инвертора, и обеспечивает защиту полупроводниковых элементов силового преобразователя-инвертора 10 путем ограничения максимально допустимого тока, возникающего при перегрузке или коротком замыкании в цепи нагрузки. При наличии на входах блока 13 токовой защиты сигналов превышения допустимого значения (отдельно по каждой фазе) он вырабатывает сигналы блокировки, которые поступают на первые управляющие входы блока 12 контроля и управления и с его первых выходов поступают на первые управляющие входы силового преобразователя-инвертора 10, обеспечивая закрытие (блокировку)

полупроводниковых элементов преобразователя. Снабжение каждого силового модуля блоком 14 стабилизации амплитуды и фазы выходного напряжения позволяет обеспечить его автономное функционирование и в случае необходимости использовать его в качестве ведущего модуля. В процессе функционирования по сигналу синхронизации происходит отключение у ведомых модулей 1, 2, 3, 4 блоков стабилизации амплитуды и фаз 14 и стабилизация осуществляется по цепи обратной связи от ведущего модуля 5. Снабжение каждого силового модуля цепью синхронизации и включение силовых модулей в канал синхронизации, образованный соединением выхода синхронизации одного из силовых модулей с входами синхронизации остальных силовых модулей, позволило обеспечить синхронную работу всех силовых модулей, работающих на общую нагрузку, причем выход из строя одного из силовых модулей с последующим его отключением не приводит к нарушению функционирования устройства в целом, поскольку не нарушается синхронизация остальных функционирующих силовых модулей и сохраняется высокая стабильность параметров каждого силового модуля за счет соответствующей организации канала синхронизации и использовании средств стабилизации в каждом силовом модуле. При аварийном состоянии или возникновении перегрузки блок 12 управления силового модуля формирует логический сигнал, несущий информацию о нарушении функционирования этого модуля. Логический сигнал передается в блок 12 контроля и управления, формирующий сигнал блокирования работы силового модуля, который поступает на второй вход блока 12 контроля и управления силового модуля. Сигнал блокирования работы силового модуля формируется в блоке 5 контроля и управления для каждого силового модуля, находящегося в аварийном состоянии. Дополнительно может быть сформирована команда индикации состояния силового модуля при его перегрузке. Таким образом, интегрально-модульный статический преобразователь частоты обладает высокой стабильностью параметров выходных сигналов, независимо от вида нагрузки. При выходе из строя одного или нескольких силовых модулей интегрально-модульный статический преобразователь частоты сохраняет свою работоспособность, формируя на выходе трехфазное (или однофазное) напряжение с заданными параметрами.

1. Интегрально-модульный статический преобразователь частоты, содержащий силовые модули, входы которых являются входами для подключения источника питания, выходы силовых модулей соединены параллельно и являются выходами для подключения нагрузки, выходы блока контроля и управления ведущего модуля соединены с управляющими входами соответствующих ведомых силовых модулей, входы блока контроля и управления ведущего модуля соединены с выходами каналов контроля перегрузки силовых модулей, отличающийся тем, что каждый силовой модуль снабжен блоком стабилизации амплитуды и фазы выходного напряжения и цепью синхронизации, при этом силовые модули включены в канал синхронизации, образованный соединением выхода синхронизации ведущего силового модуля с входами синхронизации остальных силовых модулей.

2. Интегрально-модульный статический преобразователь частоты по п.1, отличающийся тем, что ведущий модуль выполнен с возможностью регулировки амплитуды выходного напряжения.

3. Интегрально-модульный статический преобразователь частоты по п.1, отличающийся тем, что ведущий модуль выполнен с возможностью дистанционной регулировки амплитуды выходного напряжения.

4. Силовой модуль, содержащий последовательно соединенные блок входных фильтров, входы которого являются входами силового модуля для подключения источника питания, блок защиты от перегрузок по току и напряжению, выпрямитель, буферный емкостной накопитель, силовой преобразователь-инвертор и блок выходных фильтров, выходы которого является выходами силового модуля, блок контроля и управления модуля, блок токовой защиты, входы которого соединены с дополнительными выходами силового преобразователя-инвертора, на которых формируются сигналы, пропорциональные величине тока соответствующей фазы на выходах силового преобразователя-инвертора, выходы блока токовой защиты соединены с первыми входами блока контроля и управления, второй вход которого является входом управления режимом работы модуля, первые выходы блока управления соединены с первыми управляющими входами силового преобразователя-инвертора, второй выход блока управления является выходом канала контроля перегрузки силового модуля, отличающийся тем, что силовой преобразователь-инвертор снабжен цепью синхронизации и блоком стабилизации амплитуды и фазы выходного напряжения, входы которого соединены с выходами силового преобразователя-инвертора, а выходы блока стабилизации амплитуды и фазы выходного напряжения соединены со вторыми управляющими входами силового преобразователя-инвертора, вход цепи синхронизации соединен с третьим входом блока управления, являющимся входом синхронизации силового модуля, третий выход блока управления является выходом синхронизации силового модуля.

5. Силовой модуль по п.4, отличающийся тем, что силовой преобразователь-инвертор выполнен с возможностью регулирования амплитуды выходного напряжения.

6. Силовой модуль по п.4, отличающийся тем, что силовой преобразователь-инвертор выполнен с возможностью дистанционного регулирования амплитуды выходного напряжения.