RU2562254C1 - Frequency converter and method for control thereof - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: fourth bridge circuit is introduced into a frequency converter. The load is comprised of two parallel sections connected in series between inverting bridge circuits of two parallel circuits. The invention discloses a control method for the frequency converter.

EFFECT: continuous control of symmetry and voltage value for an inductor output in regard to the earthed neutral of the supply mains, rapid voltage decrease for the load when controlled voltage exceeds the preset value, reliable and smooth cut-out of the converter at the breakdown of the load output to the earthed neutral, increased efficiency factor for the inductor, smoothed shape of output current.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам преобразовательной техники и может быть использовано в вакуумных установках для плавки и термообработки металлов.The invention relates to devices of converting technology and can be used in vacuum plants for melting and heat treatment of metals.

Известен автономный инвертор с нагрузкой, включенной между двумя последовательно соединенными мостами с встречно-параллельными диодами и коммутирующей LC-цепочкой, параллельно источнику постоянного тока и сглаживающему дросселю присоединена цепочка, содержащая последовательно соединенные конденсатор фильтра и защитный дроссель [патент РФ №2276831, Н02М 7/48, G05F 1/56, опубл. 20.05.2006 г. Бюл. №14].Known autonomous inverter with a load connected between two series-connected bridges with counter-parallel diodes and a switching LC-circuit, parallel to the DC source and a smoothing inductor is connected a circuit containing a series-connected filter capacitor and a protective inductor [RF patent No. 2276831, Н02М 7 / 48, G05F 1/56, publ. May 20, 2006 Bull. No. 14].

Недостатками данного устройства является повышенная установленная мощность конденсаторного оборудования, значительное отличие формы выходного переменного тока инвертора от синусоидального.The disadvantages of this device is the increased installed capacity of the capacitor equipment, a significant difference between the shape of the output AC inverter from the sinusoidal one.

Известен способ управления преобразователем частоты, в котором первоначально на вход инвертора подают пониженное питающее напряжение и требуемую по условиям инвертирования последовательность импульсов на тиристоры произвольно выбранных пар синфазных плеч мостов, осциллографируют кривые напряжений на коммутирующих конденсаторах и при обнаружении в этих кривых постоянных составляющих напряжений выключают инвертор, изменяют на 180 эл. градусов фазы управляющих импульсов тиристоров каждой пары синфазных плеч одного из двух инверторных мостов и подают полное номинальное напряжение на вход инвертора [патент РФ №2276831, Н02М 7/48, G05F 1/56, опубл. 20.05.2006 г. Бюл. №14].There is a known method of controlling a frequency converter, in which initially a reduced supply voltage and a pulse sequence required by inverting conditions are applied to the thyristors of arbitrarily selected pairs of common-phase bridge arms, oscillation of the voltage curves at the switching capacitors is performed, and when the constant components of the voltage are detected in these curves, the inverter is turned off, change to 180 e. degrees of the phase of the control pulses of the thyristors of each pair of common-phase arms of one of the two inverter bridges and supply the full rated voltage to the inverter input [RF patent No. 2276831, Н02М 7/48, G05F 1/56, publ. May 20, 2006 Bull. No. 14].

Недостатками данного способа являются его сложность, а также невысокая надежность.The disadvantages of this method are its complexity, as well as low reliability.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является тиристорный преобразователь частоты, содержащий трансформатор, к зажимам вторичной обмотки которого подсоединены выпрямитель, дроссели фильтра в анодной и катодной цепях выпрямителя, три инвертирующих тиристорных моста с обратными диодами и коммутирующими LC-цепочками в диагоналях, соединенные последовательно через нагрузку [а.с. №478401 (СССР), Н02М 7/52, Н02М 5/42, опубл. 25.07.1975 г. Бюл. №27].The closest technical solution to this invention is a thyristor frequency converter containing a transformer, to the terminals of the secondary winding of which a rectifier is connected, filter chokes in the rectifier anode and cathode circuits, three inverting thyristor bridges with reverse diodes and commuting LC-chains in diagonals, connected in series through load [a.s. No. 478401 (USSR), Н02М 7/52, Н02М 5/42, publ. 07/25/1975 Bull. No. 27].

Недостатками данного преобразователя частоты являются низкая надежность и ограниченные функциональные возможности, при использовании его для питания вакуумных установок, из-за повышенного напряжения на нагрузке, приводящего к замыканию (пробою) выводов нагрузки на заземленную нейтраль при питании от промышленной сети, а также несимметричная форма выходного тока.The disadvantages of this frequency converter are low reliability and limited functionality, when used to power vacuum systems, due to the increased voltage at the load, which leads to the short circuit (breakdown) of the load terminals to the grounded neutral when powered by an industrial network, as well as the asymmetric shape of the output current.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются расширение функциональных возможностей за счет повышения надежности преобразователя частоты и предотвращения аварийных ситуаций, повышение электрического КПД нагрузки (индуктора) и получение симметричной формы выходного тока.The tasks to be solved by the claimed invention is aimed at expanding the functionality by increasing the reliability of the frequency converter and preventing emergency situations, increasing the electrical efficiency of the load (inductor) and obtaining a symmetrical shape of the output current.

Технический результат заключается в непрерывном контроле симметрии и величины напряжения вывода индуктора относительно заземленной нейтрали питающей сети (Uвх=250 В, Uвых=351 В, допустимое напряжение при вакууме 0,1÷1,0 Па составляет 400 В), осуществление быстрого снижения напряжения на нагрузке при увеличении контролируемого напряжения выше установленного значения, надежное и плавное выключение преобразователя при пробое вывода нагрузки на заземленную нейтраль, повышение электрического КПД индуктора и улучшение формы выходного тока.The technical result consists in the continuous monitoring of the symmetry and magnitude of the output voltage of the inductor relative to the grounded neutral of the supply network (Uin = 250 V, Uout = 351 V, the permissible voltage in vacuum of 0.1 ÷ 1.0 Pa is 400 V), the implementation of a quick voltage reduction by the load when the controlled voltage increases above the set value, reliable and smooth shutdown of the converter during breakdown of the load output to the grounded neutral, increased electric efficiency of the inductor and improved shape of the output current.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в преобразователь частоты, содержащий трансформатор, к зажимам вторичной обмотки которого подсоединены выпрямитель, дроссели фильтра в анодной и катодной цепях выпрямителя, три инвертирующих тиристорных моста с обратными диодами и коммутирующими LC-цепочками в диагоналях, соединенные последовательно через нагрузку, согласно изобретению введен четвертый мост, и нагрузка выполнена из двух параллельно соединенных секций, которые включены последовательно между инвертирующими мостами двух параллельных цепей.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that a rectifier, filter chokes in the anode and cathode circuits of the rectifier, three inverting thyristor bridges with reverse diodes and commuting LC-chains in diagonals are connected to the frequency converter containing a transformer, to the terminals of the secondary winding connected in series through a load, according to the invention a fourth bridge is introduced, and the load is made of two parallel connected sections that are connected in series between and vertiruyuschimi bridges two parallel chains.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается также способом управления преобразователем частоты, в котором первоначально на вход инвертора подают пониженное питающее напряжение и требуемую по условиям инвертирования последовательность импульсов на тиристоры произвольно выбранных пар синфазных плеч мостов, осциллографируют кривые напряжений на коммутирующих конденсаторах и при обнаружении в этих кривых постоянных составляющих напряжений выключают инвертор, изменяют на 180 эл. градусов фазы управляющих импульсов тиристоров каждой пары синфазных плеч одного из двух инверторных мостов и подают полное номинальное напряжение на вход инвертора, согласно изобретению при достижении напряжения на нагрузке установленного допустимого значения снижают напряжение питания инвертирующих мостов на 8÷9% путем введения угла β регулирования тиристорами выпрямителя, а при снижении напряжения на нагрузке относительно допустимого значения более 10÷11% восстанавливают угол β=0 эл. градусов.The problem is solved, and the technical result is also achieved by the method of controlling a frequency converter, in which initially a reduced supply voltage and a pulse sequence required by inversion conditions are applied to the thyristors of arbitrarily selected pairs of common-phase bridge arms, the voltage curves on the switching capacitors oscillate and, if detected, of these curves of constant voltage components turn off the inverter, change by 180 el. degrees of the phase of the control pulses of the thyristors of each pair of common-mode arms of one of the two inverter bridges and supply the full rated voltage to the inverter input, according to the invention, when the load voltage reaches the set acceptable value, the supply voltage of the inverting bridges is reduced by 8 ÷ 9% by introducing an angle β of regulation of the rectifier thyristors and when the voltage at the load is reduced relative to the permissible value of more than 10 ÷ 11%, the angle β = 0 e is restored. degrees.

Кроме того, согласно изобретению при замыкании нагрузки на заземленную нейтраль блокируют импульсы управления инвертирующих мостов и одновременно переводят выпрямитель в инверторный режим с последующим отключением выпрямителя от сети.In addition, according to the invention, when the load is closed to the grounded neutral, the control pulses of the inverting bridges are blocked and the rectifier is simultaneously switched to inverter mode with the subsequent disconnection of the rectifier from the network.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена схема преобразователя частоты.The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a frequency converter.

Преобразователь частоты содержит тиристорный выпрямитель 1, питающийся от трехфазной промышленной сети 2 с заземленной нейтралью, параллельно подключенный нулевой диод 3, последовательно подключенный дроссель фильтра 4, выходные выводы которого подключены соответственно к плюсовым и минусовым выводам питания двух параллельных цепей, состоящих из двух последовательно соединенных инвертирующих тиристорных мостов 5-6 и 7-8, через нагрузку 9, состоящую из двух параллельно соединенных секций 10 и 11, параллельно которой подключен компенсирующий конденсатор 12, датчик 13 напряжения вывода индуктора относительно заземленной нейтрали питающей сети, блок контроля и управления выпрямителем и тиристорными инвертирующими мостами 14. Каждый из инвертирующих мостов содержит четыре тиристора 15-18, четыре встречных диода 19-22, коммутирующую LC-цепочку 23-24 в диагонали.The frequency converter contains a thyristor rectifier 1, powered by a three-phase industrial network 2 with a grounded neutral, a parallel connected zero diode 3, a series-connected choke of the filter 4, the output terminals of which are connected respectively to the plus and minus terminals of the power supply of two parallel circuits, consisting of two inverting circuits connected in series thyristor bridges 5-6 and 7-8, through a load 9, consisting of two parallel connected sections 10 and 11, in parallel with which compensating the th capacitor 12, the sensor 13 of the output voltage of the inductor relative to the grounded neutral of the supply network, the control unit for the rectifier and the thyristor inverting bridges 14. Each of the inverting bridges contains four thyristors 15-18, four counter diodes 19-22, the switching LC-circuit 23- 24 in the diagonal.

Устройство работает следующим образом. Полярность коммутирующих конденсаторов 24 в начальный момент включения тиристоров 15 и 17 показана на чертеже, где напряжения на указанных конденсаторах в начальный момент складываются. Импульсы управления, поступающие на тиристоры мостов 5, 6, сдвинуты на 180 эл. градусов по выходной частоте по отношению к импульсам управления, поступающим на мосты 7 и 8 синфазно. В результате при включении, например, тиристоров 15, 17 мостов 5, 6 колебательный ток протекает через тиристоры 15, 17 моста 5, секцию 10 нагрузки, встречные диоды 19, 21 моста 8. Одновременно колебательный ток мостов 6, 7 замыкается по цепи: тиристоры 15, 17 моста 6, встречные диоды 19, 21 моста 7, секция 11 нагрузки. В следующий момент включаются тиристоры 16, 18 мостов 7, 8 и встречные диоды 19, 21 мостов 5, 6. Далее процесс повторяется.The device operates as follows. The polarity of the switching capacitors 24 at the initial moment of turning on of the thyristors 15 and 17 is shown in the drawing, where the voltages on these capacitors at the initial moment add up. The control pulses arriving at the thyristors of the bridges 5, 6 are shifted by 180 el. degrees of the output frequency with respect to the control pulses entering the bridges 7 and 8 in phase. As a result, when, for example, thyristors 15, 17 of bridges 5, 6 are turned on, the oscillating current flows through thyristors 15, 17 of bridge 5, load section 10, counter diodes 19, 21 of bridge 8. At the same time, the oscillatory current of bridges 6, 7 is closed by a circuit: thyristors 15, 17 of bridge 6, counter diodes 19, 21 of bridge 7, load section 11. At the next moment, thyristors 16, 18 of bridges 7, 8 and counter diodes 19, 21 of bridges 5, 6 are turned on. Next, the process is repeated.

Пример конкретной реализации способаAn example of a specific implementation of the method

Датчик напряжения 13 осуществляет контроль напряжения на нагрузке 9. При достижении контролируемого напряжения, например, равного Uн=390 В, на нагрузке 9 блок управления и контроля 14 снижает напряжение питания инвертирующих мостов 5-8 на 8-9% путем введения угла (3 регулирования выпрямителя 1, а при снижении напряжения на нагрузке 9 относительно допустимого значения более 10÷11%, восстанавливают угол β=0 эл. градусов, что позволяет исключить вероятность возникновения частичного пробоя, а в случае аварийного режима работы блокируются импульсы управления тиристорными инвертирующими мостами 5-8 и выпрямитель 1 переводится в инверторный режим путем введения соответствующего угла β, что способствует безопасному выключению преобразователя и сохранению всей системы.The voltage sensor 13 monitors the voltage at the load 9. Upon reaching a controlled voltage, for example, equal to Un = 390 V, at load 9, the control and monitoring unit 14 reduces the supply voltage of the inverting bridges 5-8 by 8-9% by introducing an angle (3 adjustments rectifier 1, and when the voltage at load 9 is reduced relative to the permissible value of more than 10 ÷ 11%, the angle β is restored = 0 electric degrees, which eliminates the possibility of a partial breakdown, and in case of emergency operation, control pulses are blocked Thyristor inverting bridges 5-8 and the rectifier 1 is transferred to the inverter mode by introducing the appropriate angle β, which contributes to the safe shutdown of the converter and the preservation of the entire system.

Итак, заявленное изобретение позволяет расширить функциональные возможности за счет повышения надежности преобразователя частоты и предотвращения аварийных ситуаций, повысить электрический КПД нагрузки (индуктора), получить симметричную форму выходного тока, осуществить быстрое снижение напряжения на нагрузке при увеличении контролируемого напряжения выше установленного значения, надежно и плавно выключить преобразователь при пробое вывода нагрузки на заземленную нейтраль.So, the claimed invention allows to expand the functionality by increasing the reliability of the frequency converter and preventing emergency situations, to increase the electrical efficiency of the load (inductor), to obtain a symmetrical shape of the output current, to quickly reduce the voltage at the load when the controlled voltage increases above the set value, reliably and smoothly turn off the converter in case of breakdown of the load output to the grounded neutral.

Claims (3)

1. Преобразователь частоты, содержащий трансформатор, к зажимам вторичной обмотки которого подсоединены выпрямитель, дроссели фильтра в анодной и катодной цепях выпрямителя, три инвертирующих тиристорных моста с обратными диодами и коммутирующими LC-цепочками в диагоналях, соединенные последовательно через нагрузку, отличающийся тем, что введен четвертый мост, и нагрузка выполнена из двух параллельно соединенных секций, которые включены последовательно между инвертирующими мостами двух параллельных цепей.1. A frequency converter containing a transformer, to the terminals of the secondary winding of which a rectifier is connected, filter chokes in the anode and cathode circuits of the rectifier, three inverting thyristor bridges with reverse diodes and commuting LC-chains in diagonals, connected in series through a load, characterized in that it is introduced the fourth bridge, and the load is made of two parallel-connected sections, which are connected in series between the inverting bridges of two parallel circuits. 2. Способ управления преобразователем частоты, в котором первоначально на вход инвертора подают пониженное питающее напряжение и требуемую по условиям инвертирования последовательность импульсов на тиристоры произвольно выбранных пар синфазных плеч мостов, осциллографируют кривые напряжений на коммутирующих конденсаторах и при обнаружении в этих кривых постоянных составляющих напряжений выключают инвертор, изменяют на 180 эл. градусов фазы управляющих импульсов тиристоров каждой пары синфазных плеч одного из двух инверторных мостов и подают полное номинальное напряжение на вход инвертора, отличающийся тем, что при достижении напряжения на нагрузке установленного допустимого значения, снижают напряжение питания инвертирующих мостов на 8ч9% путем введения угла β регулирования тиристорами выпрямителя, а при снижении напряжения на нагрузке относительно допустимого значения более 10ч11% восстанавливают угол β=0 эл. градусов.2. A method of controlling a frequency converter, in which initially a reduced supply voltage and a pulse sequence required by inversion conditions are applied to the thyristors of arbitrarily selected pairs of common-phase bridge arms, oscillate the voltage curves at the switching capacitors and turn off the inverter when the DC components are detected in these curves , change to 180 e. degrees of the phase of the control pulses of the thyristors of each pair of common-mode arms of one of the two inverter bridges and supply the full rated voltage to the inverter input, characterized in that when the voltage at the load reaches the set permissible value, the supply voltage of the inverting bridges is reduced by 8h9% by introducing an angle β of regulation of the thyristors rectifier, and when the voltage at the load decreases relative to the allowable value of more than 10h11%, the angle β = 0 is restored. degrees. 3. Способ управления преобразователем частоты по п. 2, отличающийся тем, что при замыкании нагрузки на заземленную нейтраль блокируют импульсы управления инвертирующих мостов и одновременно переводят выпрямитель в инверторный режим с последующим отключением выпрямителя от сети. 3. The method of controlling the frequency converter according to claim 2, characterized in that when the load is closed to the grounded neutral, the control pulses of the inverting bridges are blocked and the rectifier is switched to inverter mode with the subsequent disconnection of the rectifier from the network.