Преобразователь частоты на базе инвертора тока с изменяемой структурой конденсаторной батареи
Полезная модель относится к области силовой электроники и может быть использована для построения систем централизованного электроснабжения, требующих стабилизации выходного напряжения при изменении параметров первичной и вторичной сетей электропитания в широких пределах.
Задачей технического решения является повышение качества стабилизации выходного напряжения преобразователя частоты при изменении величины нагрузки и увеличение КПД за счет изменения структуры батареи коммутирующих конденсаторов при высоком качестве выходного напряжения.
Поставленная задача решается тем, что преобразователь частоты на базе инвертора тока с изменяемой структурой конденсаторной батареи, содержащий выпрямитель, LC-фильтр и инвертор тока, на выходе которого параллельно нагрузке включены вентильно-реакторное компенсирующее устройство и через управляемый ключ - батарея коммутирующих конденсаторов, соединенных по схеме «треугольник», согласно предлагаемому техническому решению снабжен включенным между выпрямителем и LC-фильтром импульсным преобразователем постоянного тока с коммутатором, микропроцессорной системой управления, имеющей блок задания параметров, датчиками выходного тока, датчиками выходного напряжения, выходы которых через аналого-цифровые преобразователи подключены ко входу микропроцессорной системы управления. Инвертор тока реализован по трехфазной схеме с расщепленной конденсаторной батареей, которая разделена на N параллельных секций одинаковой емкости с N управляемыми нормально разомкнутыми ключами. Выходы микропроцессорной системы управления соединены соответственно со входами N управляемых нормально разомкнутых ключей и входом коммутатора импульсного преобразователя постоянного тока.
Полезная модель относится к области силовой электроники и может быть использована для построения систем централизованного электроснабжения, требующих стабилизации выходного напряжения при изменении параметров первичной и вторичной сетей электропитания в широких пределах.
Известен преобразователь частоты на базе инвертора тока, реализованного по трехфазной двухмостовой схеме с расщепленной конденсаторной батареей с вентильно-реакторным компенсирующим устройством, включенным параллельно нагрузке (Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б., Артюхов И.И. Об абсолютной устойчивости двухмостового инвертора тока с расщепленной батареей коммутирующих конденсаторов. Энергетика. Известия высших учебных заведений: Беларусск. политехн. ин-т, 
5, 1990. С.53-56).
Недостатком данного устройства является то, что содержащееся в нем ВРКУ выполнено на максимальную установленную мощность коммутирующих конденсаторов, что приводит в разгрузочных режимах к большим потерям электроэнергии и, как следствие, к снижению КПД. Кроме того, одновременно с компенсацией избыточной реактивной мощности коммутирующих конденсаторов вентильно-реакторное компенсирующее устройство, потребляя несинусоидальный ток от инвертора, ухудшает качество кривой выходного напряжения. Другим недостатком является существенное влияние на стабильность выходного напряжения изменение в широких пределах коэффициента передачи автономного инвертора по напряжению, который входит в состав преобразователя частоты, в соответствии с изменением нагрузки.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является преобразователь частоты с явным звеном постоянного тока, состоящий из последовательно соединенных выпрямителя, LC-фильтра и инвертора тока, на выходе которого параллельно нагрузке включены вентильно-реакторное компенсирующее устройство и через управляемый ключ батарея коммутирующих конденсаторов, соединенных в треугольник (Авторское свидетельство СССР 1249688, кл. Н02Р 1/54. Многодвигательный электропривод / И.И.Кантер, Н.П.Митяшин, И.И.Артюхов и др. / / Открытия. Изобретения, 1986, 29).
Недостатком прототипа является то, что придание адаптивных свойств преобразователю за счет подключения батареи коммутирующих конденсаторов в пусковых режимах не уменьшает установленной мощности вентильно-реакторного компенсирующего устройства, определяемой в этом случае максимальной мощностью нагрузки. Кроме того, наличие одной батареи коммутирующих конденсаторов существенно ограничивает гибкость структуры коммутирующих конденсаторов, сужая диапазон управляемого изменения коэффициента передачи автономного инвертора по напряжению, что в конечном итоге снижает качество системы стабилизации выходного напряжения.
Задачей технического решения является повышение качества стабилизации выходного напряжения преобразователя частоты при изменении величины нагрузки и увеличение КПД за счет изменения структуры батареи коммутирующих конденсаторов при высоком качестве выходного напряжения.
Поставленная задача решается тем, что преобразователь частоты на базе инвертора тока с изменяемой структурой конденсаторной батареи, содержащий выпрямитель, LC-фильтр и инвертор тока, на выходе которого параллельно нагрузке включены вентильно-реакторное компенсирующее устройство и через управляемый ключ - батарея коммутирующих конденсаторов, соединенных по схеме «треугольник», согласно предлагаемому техническому решению снабжен включенным между выпрямителем и LC-фильтром импульсным преобразователем постоянного тока с коммутатором, микропроцессорной системой управления, имеющей блок задания параметров, датчиками выходного тока, датчиками выходного напряжения, выходы которых через аналого-цифровые преобразователи подключены ко входу микропроцессорной системы управления, инвертор тока реализован по трехфазной схеме с расщепленной конденсаторной батареей, батарея коммутирующих конденсаторов разделена на N параллельных секций одинаковой емкости с N управляемыми нормально разомкнутыми ключами, при этом выходы микропроцессорной системы управления соединены соответственно со входами N управляемых нормально разомкнутых ключей и входом коммутатора импульсного преобразователя постоянного тока.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: разделение батареи коммутирующих конденсаторов на N параллельных секций одинаковой емкости обеспечивает использование вентильно-реакторного компенсирующего устройства уменьшенной установленной мощности за счет ступенчатого изменения емкости в зависимости от величины и характера нагрузки, что приводит к уменьшению потерь и, как следствие, к увеличению КПД. При этом микропроцессорная система управления с блоком задания параметров обеспечивает приемлемую величину избыточной реактивной мощности расщепленной конденсаторной батареи, что исключает изменение коэффициента передачи автономного инвертора тока по напряжению в широких пределах, и, как следствие, приводит к повышению качества стабилизации выходного напряжения, осуществляемой импульсным преобразователем постоянного тока с коммутатором, а инвертор тока, реализованный по трехфазной двухмостовой схеме с расщепленной конденсаторной батареей, обеспечивает высокое качество выходной кривой.
Полезная модель поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлена схема преобразователя частоты на базе инвертора тока с изменяемой структурой конденсаторной батареи, на Фиг.2 - структурная схема системы управления, реализованной на базе многослойной нейронной сети.
Предлагаемый преобразователь частоты с явным звеном постоянного тока состоит из последовательно соединенных выпрямителя 1, LC-фильтра 2, импульсного преобразователя постоянного тока 7 с коммутатором 8 и трехфазного двухмостового автономного инвертора тока 3 с расщепленной конденсаторной батареей 10. Расщепленная конденсаторная батарея 10 выполнена в виде двух секций 9, представляющих собой конденсаторные батареи, выходы которых объединены и подключены к нагрузке, а входы соединены с соответствующими вентильными мостами инвертора тока 3 таким образом, что фазы нагрузки оказываются соединенными с фазами мостов через конденсаторы. На выходе инвертора тока 3 параллельно нагрузке включены вентильно-реакторное компенсирующее устройство 4 и батарея коммутирующих конденсаторов 11, соединенных в треугольник. Батарея коммутирующих конденсаторов 11 разделена на N параллельных секций одинаковой емкости 5 с N управляемыми нормально разомкнутыми ключами 6. Преобразователь частоты также содержит микропроцессорную систему управления 12, блок задания параметров 13, подключенный к микропроцессорной системе управления 12, три датчика выходного тока 14, 15, 16 и три датчика выходного напряжения 17, 18, 19, при этом выходы всех датчиков через аналого-цифровые преобразователи 20
25 подключены ко входу микропроцессорной системы управления 12, выходы которой соединены соответственно с N входами 26 управляемых ключей 6 и входом коммутатора 8 импульсного преобразователя постоянного тока 7.
Преобразователь частоты функционирует следующим образом.
На входы микропроцессорной системы управления 12 через аналого-цифровые преобразователи 20... 25 поступают показания о величинах выходного тока и напряжения преобразователя частоты, снимаемые с датчиков тока 14, 15, 16 и напряжения 17, 18, 19, соответственно, с периодичностью, определяемой частотой работы инвертора 3. На выходе микропроцессорной системы управления 12 формируются сигналы для управления импульсным преобразователем постоянного тока 7 и ключами 6. При замыкании нормально разомкнутых ключей 6 соответствующие секции 5 батареи коммутирующих конденсаторов 11 подключаются параллельно нагрузке. При их размыкании соответствующие секции 5 отключаются. Таким образом, в преобразователе частоты поддерживается баланс реактивной мощности с шагом, равным величине реактивной мощности дополнительной секции.
Микропроцессорная система управления 12 содержит элементы для расчета действующих значений тока нагрузки и выходного напряжения на основе входных показаний и элемент, настроенный как двухслойная обученная нейронная сеть с 2 входами и N выходами. На входы сети поступают отклонение выходного напряжения от номинального значения Uвых -U0 и значение тока нагрузки Iн (входные переменные). Нейронная сеть, распознавая область в пространстве параметров, определяет состояния импульсного преобразователя постоянного тока 7 и управляемых ключей 6, изменяя, таким образом, емкость коммутирующих конденсаторов, а также стабилизируя напряжение при нестабильности питающей сети. При разбиении области изменения каждой из переменных, например, на три интервала, потребуется введение девяти классов распознавания нейронной сети - подобластей изменения входных переменных и соответствующего числа правил управления импульсным преобразователем постоянного тока 7 и ключами 6.
Исключение явлений «автоколебаний» структуры при нахождении вектора входных переменных на границе между двумя или несколькими областями распознавания при управлении структурой расщепленной конденсаторной батареи может быть обеспечено с помощью нейронной сети. На Фиг.2 представлена схема многослойной нейронной сети 27, в которой новыми элементами, введенными для этой цели, являются триггер памяти текущего состояния 28 и блок порогового значения 
29. Блок порогового значения 29 добавляет на тот вход блока выбора максимума 30, который соответствует текущему состоянию объекта управления, дополнительное положительное значение 8, которое позволяет сохранять это состояние до тех пор, пока входной сигнал, соответствующий новому состоянию, не превысит этот порог. Этот прием аналогичен характеристике типа гистерезиса для системы с двумя состояниями. Введение новых элементов также предотвращает появление резких «всплесков», то есть изменения структуры объекта при однократном нахождении вектора входных переменных на границе между несколькими областями распознавания.
В качестве параметров микропроцессорной системы управления 12 задают значение номинального напряжения U0 и пороговое значение с помощью блока задания параметров 13.
Микропроцессорная система управления 12 может быть реализована практически на любых встраиваемых микроконтроллерах, способных решать сложные логические и оптимизационные задачи.
В предлагаемом преобразователе стабилизация напряжения при нестабильности питающей сети достигается с помощью регулирования напряжения звена постоянного тока посредством импульсного преобразователя 7 и не приводит к ухудшению кривой выходного напряжения преобразователя.
Схема включения расщепленной конденсаторной батареи 10 приводит к сдвигу выходных напряжений мостов инвертора тока 3, что при определенных отношениях емкостей приводит к исключению 5-й, 7-й, 17-й, 19-й гармоник в кривой выходного напряжения. Для стабилизации выходного напряжения к выходу инвертора 3 подключают вентильно-реакторное компенсирующее устройство 4, что приводит к появлению вновь этих гармоник в кривой напряжения и лишает инвертор с расщепленной конденсаторной батареей его преимуществ. Преобразователь частоты предполагается применять для питания групповой двигательной нагрузки, для которой характерна незначительная мощность отдельного двигателя по сравнению с мощностью всей нагрузки. Поэтому в преобразователе обеспечивается использование вентильно-реакторного компенсирующего устройства уменьшенной установленной мощности за счет ступенчатого изменения емкости 11 в зависимости от величины и характера нагрузки.
Таким образом, величина реактивной мощности коммутирующих конденсаторов является функцией величины нагрузки, что при правильном управлении микропроцессорной системой управления 12 обеспечивает приемлемую величину избыточной реактивной мощности расщепленной конденсаторной батареи 10, исключающей изменение коэффициента передачи автономного инвертора тока по напряжению в широких пределах.
Преобразователь частоты на базе инвертора тока с изменяемой структурой конденсаторной батареи, содержащий выпрямитель, LC-фильтр и инвертор тока, на выходе которого параллельно нагрузке включены вентильно-реакторное компенсирующее устройство и через управляемый ключ батарея коммутирующих конденсаторов, соединенных по схеме «треугольник», отличающийся тем, что он снабжен включенным между выпрямителем и LC-фильтром импульсным преобразователем постоянного тока с коммутатором, микропроцессорной системой управления, имеющей блок задания параметров, датчиками выходного тока, датчиками выходного напряжения, выходы которых через аналого-цифровые преобразователи подключены ко входу микропроцессорной системы управления, инвертор тока реализован по трехфазной схеме с расщепленной конденсаторной батареей, батарея коммутирующих конденсаторов разделена на N параллельных секций одинаковой емкости с N управляемыми нормально разомкнутыми ключами, при этом выходы микропроцессорной системы управления соединены соответственно со входами N управляемых нормально разомкнутых ключей и входом коммутатора импульсного преобразователя постоянного тока.
