RU138409U1 - FREQUENCY CONVERTER WITH WIDTH-PULSE MODULATION FOR ELECTRIC DRIVES WITH FAN LOAD CHARACTER - Google Patents

Abstract

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 Снакопительного конденсатора лежит в пределахгде L- максимальная индуктивность статора двигателя, питаемого преобразователем частоты, I- максимально допустимый выходной ток преобразователя частоты, U- максимально допустимое значение напряжения на входе инвертора, U- 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.1. A frequency converter comprising a rectifier, a rectified voltage sensor, a pulse width modulated inverter, a control unit provided with voltage and frequency input inputs and a control input connected to the output of the rectified voltage sensor, and a storage capacitor installed at the inverter input, characterized in that the control unit is configured to modulate the signal received at the voltage input, inversely with the normalized value of the signal at the control input, and the capacitance The storage capacitor lies in the range where L is the maximum inductance of the motor stator fed by the frequency converter, I is the maximum allowable output current of the frequency converter, U is the maximum allowable voltage value at the inverter input, U is the voltage at the rectifier output at the maximum allowable supply voltage. 2 . The Converter according to claim 1, characterized in that the control unit is arranged to delay said modulation for the period of ripple of the rectified voltage. The Converter according to claim 1, characterized in that the storage capacitor is shunted by a varistor.

Description

Область техникиTechnical field

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.The utility model relates to an electric drive and, in particular, to frequency converters with pulse-width modulation (PWM) and can find application in electric drives of fans and centrifugal pumps, as well as other mechanisms that have a fan load characteristic.

Уровень техникиState of the art

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].Known, selected as a prototype, a frequency converter containing a rectifier, an inverter with a PWM, a converter control unit provided with voltage and frequency driving inputs, and a storage capacitor and a rectified voltage sensor installed at the inverter input [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.The prototype uses a storage capacitor in the form of a large-capacity electrolytic capacitor (several thousand microfarads), whose functions are to suppress low-frequency ripples of the rectified voltage (in the case of a three-phase bridge rectifier from a 50 Hz network, the main ripple frequency is 300 Hz), which fall into the output voltage of the converter , and in the limitation of voltage surges on the semiconductor modules of the inverter and rectifier arising from load fluctuations and shutdowns of the electric drive, Some are accompanied by the return to the converter of the stored electromagnetic and mechanical energy.

Недостаток прототипа - пониженный срок службы и увеличенные габариты из-за необходимости использования электролитических конденсаторов большой емкости, выполняющих обе вышеуказанные функции.The disadvantage of the prototype is the reduced service life and increased dimensions due to the need to use high-capacity electrolytic capacitors that perform both of the above functions.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Технический результат полезной модели - повышение надежности и срока службы, улучшение массогабаритных характеристик преобразователя частоты.The technical result of the utility model is to increase reliability and service life, improve the overall dimensions of the frequency converter.

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 C_нак накопительного конденсатора лежит в пределахThe subject of a utility model is a frequency converter comprising a rectifier, a rectified voltage sensor, an inverter with a PWM, a control unit provided with voltage and frequency reference inputs and a control input connected to the output of the rectified voltage sensor, and a storage capacitor installed at the inverter input, characterized in that the control unit is configured to modulate the signal received at the voltage input, inversely with the normalized value of the signal at the control input, and the capacitance of the storage capacitor C _CON is in the range

где L_ст - максимальная индуктивность статора двигателя, питаемого преобразователем частоты, (Гн), I_макс - максимально допустимый выходной ток преобразователя частоты (A), U_доп - допустимое значение напряжения на входе инвертора (B), U_выпр - напряжение на выходе выпрямителя при максимально допустимом напряжении питающей сети (B).where L _article is the maximum inductance of the motor stator fed by the frequency converter, (H), I _max is the maximum allowable output current of the frequency converter (A), U _add is the allowable voltage value at the inverter input (B), U _rect is the voltage at the rectifier output at the maximum allowable supply voltage (B).

Это позволяет получить вышеуказанный технический результат.This allows you to get the above technical result.

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.The utility model has two developments related to particular cases of its implementation and consisting in the fact that the control unit is configured to delay said modulation for the period of the rectified voltage ripple, and that the storage capacitor is shunted by a varistor.

Осуществление полезной модели с учетом ее развитейImplementation of a utility model, taking into account its development

На фигуре приведена функциональная схема, иллюстрирующая осуществление заявляемого преобразователя.The figure shows a functional diagram illustrating the implementation of the inventive Converter.

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 F_зад, задающий частоту этого напряжения. К входу 8 подсоединен выход датчика 5.The diagram shows: a rectifier 1, an inverter 2 with a PWM, and a converter control unit 3, a storage capacitor 4 installed at the input of the inverter 2, and a rectified voltage sensor 5. Block 3 is equipped with master inputs 6, 7 and input 8 of the control. At input 6, a signal U _ass sets the value of the output voltage of the converter; input 7 is a signal F _ass that sets the frequency of this voltage. To the input 8 is connected the output of the sensor 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.Block 3 is a programmable microcontroller equipped with amplified outputs for controlling the keys of inverter 2 and analog-to-digital converter 9 (ADC) for converting analog signals received in block 3. The diagram conventionally shows the elements reflecting the functions performed by block 3: the PWM generation block 10, which controls the keys of the inverter 2, the divider 11 and the modulator 12, the delay element 13.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

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.From the supply network voltage, the rectifier 1 generates a pulsating rectified voltage, which is supplied to the input of the inverter 2. The inverter 2 under the control of unit 10 converts the rectified voltage to an alternating voltage by the PWM method, the magnitude and frequency of which are set by the signals at inputs 6 and 7, respectively.

Модуляция сигнала, поступившего на задающий вход 6, в обратной зависимости от нормированного значения сигнала на входе 8 осуществляется следующим образом.Modulation of the signal received at the master input 6, in inverse proportion to the normalized value of the signal at input 8 is as follows.

Пульсирующее выпрямленное напряжение U_d(t), поступившее с датчика 5 на вход 8 блока 3, оцифровывается с помощью АЦП 9. Затем в цифровом виде формируется величина U_dном/U_d, обратная нормированной (относительно номинального значения U_dном) величине U_d/U_dном выпрямленного напряжения. Этой функции на схеме соответствует делитель 11. На его выходе формируются мгновенные значения величины U_dном/U_d, которые, отражая пульсации выпрямленного напряжения, колеблются вокруг единицы. С выхода делителя 11 величина U_dном/U_d поступает на модулятор 12, на другой вход которого подается сигнал U_зад с входа 6. Сигнал, поступающий с выхода модулятора 12 в блок 10, представляет собой произведение U_зад на U_dном/U_d, т.е. сигнал U_зад, модулированный в обратной зависимости от нормированного значения U_d/U_dном сигнала U_d(t) на входе 8. При U_d=U_dном сигнал U_зад проходит через модулятор 12 на блок 10 без изменения, при U_d<U_dном на блок 10 поступает сигнал больше, чем U_зад, а при U_d>U_dном - меньше, чем U_зад.The pulsed rectified voltage U _d (t), received from the sensor 5 to the input 8 of block 3, is digitized using the ADC 9. Then, the value U _dnom / U _{d is} in digital form, the inverse of the normalized (relative to the nominal value U _dnom ) value U _d / U _dnom rectified voltage. The divider 11 corresponds to this function in the circuit. At its output, instantaneous values of U _dnom / U _{d are formed} , which, reflecting the ripples of the rectified voltage, oscillate around unity. From the output of the divider 11, the value of U _dnom / U _{d is} supplied to the modulator 12, to the other input of which the signal U _ass from input 6 is supplied. The signal from the output of the modulator 12 to block 10 is the product of U _ass by U _dnom / U _d , those. the signal U _ass , modulated inversely with the normalized value U _d / U _{d of the} signal U _d (t) at input 8. With U _d = U _{d, the} signal U _ass passes through modulator 12 to block 10 without change, with U _d <U _dn to block 10 receives a signal greater than U _ass , and for U _d > U _dnom less than U _ass .

В результате такой модуляции, блок 10 управляет ключами инвертора 2 так, что пульсации выпрямленного напряжения U_d 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.As a result of such modulation, block 10 controls the keys of inverter 2 so that the ripple of the rectified voltage U _{d is} compensated by the corresponding changes in the duty cycle of the pulse-width modulated voltage and does not affect the actual value of the output voltage of the converter. This allows you to remove the function of suppressing low-frequency ripple of the rectified voltage from the storage capacitor 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.Of all the classes of mechanisms equipped with a frequency-controlled electric drive, one of the most significant in terms of volume is the class of mechanisms with a fan-like nature of the load, including centrifugal pumps and fans. A feature of this class of mechanisms is the absence of sharp fluctuations in the load on the motor shaft and, accordingly, rotor vibrations, accompanied by the return of mechanical energy to the converter. When the mechanisms of this class are stopped, only electromagnetic energy stored in the stator windings of the electric motor fed by the converter is returned to the converter.

В электроприводах с вентиляторной характеристикой нагрузки для выполнения оставшейся функции - ограничения всплесков напряжения на уровне U_доп достаточна емкость C_нак, 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.In electric drives with a fan characteristic of the load, to fulfill the remaining function of limiting voltage surges at the level U, an _additional capacitance C _nc determined by expression (1) is sufficient, the value of which is tens of microfarads. The capacitor 4 of such a capacitance can be film or ceramic and, therefore, there is no need to use a large-capacity electrolytic capacitor that impairs the reliability, service life and overall dimensions of the converter.

Нижняя граница указанного в выражении (1) диапазона емкости C_нак ограничена превышением U_доп, а верхняя - неоправданным увеличением габаритов накопительного конденсатора 4.The lower limit of the expression (1) C _nak limited capacitance range exceeding U _ext and the upper - unjustified increase in the dimensions of the storage capacitor 4.

В тех случаях, когда время выполнения программируемым блоком 3 такой компенсации составляет значительную часть периода пульсации выпрямленного напряжения, модуляция сигнала U_зад осуществляется с задержкой на период пульсации выпрямленного напряжения. Эту задержку отражает на схеме элемент 13.In cases where the execution time by the programmable unit 3 of such compensation makes up a significant part of the ripple voltage of the rectified voltage, the modulation of the signal U _ass is delayed by the ripple period of the rectified voltage. This delay is reflected in the circuit element 13.

Для защиты от перенапряжений вход инвертора 2 может быть дополнительно зашунтирован варистором 14.To protect against overvoltage, the input of the inverter 2 can be additionally shunted by varistor 14.

Claims (3)

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 С_нак накопительного конденсатора лежит в пределах1. A frequency converter comprising a rectifier, a rectified voltage sensor, a pulse width modulated inverter, a control unit provided with voltage and frequency input inputs and a control input connected to the output of the rectified voltage sensor, and a storage capacitor installed at the inverter input, characterized in that the control unit is configured to modulate the signal received at the voltage input, inversely with the normalized value of the signal at the control input, and the capacitance five _NAC storage capacitor lies in the range $${С}_{нак}=(3÷5)\frac{L_{ст}{I}_{макс}^2}{U_{доп}^2-U_{выпр}^2},$$

$${\mathrm{FROM}}_{n\mathrm{but}\mathrm{to}}=(3÷5)\frac{L_{\mathrm{from}t}{I}_{m\mathrm{but}\mathrm{to}\mathrm{from}}^2}{U_{d\mathrm{about}P}^2-U_{\mathrm{at}sPR}^2},$$

где L_ст - максимальная индуктивность статора двигателя, питаемого преобразователем частоты, I_макс - максимально допустимый выходной ток преобразователя частоты, U_доп - максимально допустимое значение напряжения на входе инвертора, U_выпр - напряжение на выходе выпрямителя при максимально допустимом напряжении питающей сети.where L _v - maximum inductance motor stator fed by a frequency converter, I _max - the maximum permissible output current of the inverter, U _ext - the maximum value of the voltage at the inverter input, U _{straightening} - the output voltage of the rectifier at the maximum allowable voltage of the mains. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок управления выполнен с возможностью задержки указанной модуляции на период пульсации выпрямленного напряжения.2. The Converter according to claim 1, characterized in that the control unit is configured to delay said modulation for a period of ripple rectified voltage. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что накопительный конденсатор зашунтирован варистором.

3. The Converter according to claim 1, characterized in that the storage capacitor is shunted by a varistor.

Images