Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РАБОТЫ ОДНОФАЗНОГО ИНВЕРТОРА

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для контроля работы однофазных инверторов, широко используемых в источниках бесперебойного питания и автономных энергоустановках, питающихся от аккумуляторных батарей, генераторов на топливных элементах, солнечных панелей и работающих на разнообразные виды нагрузок от чисто активных (нагревательные элементы, освещение) до нагрузок с малыми коэффициентами мощности.

Известно, что для подавляющего числа инверторов в паспортных данных указываются ограничения по коэффициенту мощности. Так, например, для инвертора фирмы ELTEC типа UNV-5.0F h(ttp://www.powerexpert.ua/epu eltec inv unv psw.html) предельным значением коэффициента мощности являются cos φ=0,5. При этом реактивная мощность превышает активную на 73%, а работа инвертора находится под угрозой срыва. Недостаток известного инвертора заключается в отсутствии контроля за величиной коэффициента мощности, определения характера нагрузки - активно-индуктивной или активно-емкостной, а также проверки правильности вычисления коэффициента мощности.

Известен способ и устройство определения коэффициента мощности (патент RU 2038603, МПК G01R 21/00, 27.06.1995). Устройство содержит фазосдвигающие блоки, аналого-цифровые преобразователи, мультиплексор, вычислительный блок и блок управления. Недостатком устройства является весьма сложный алгоритм вычисления коэффициента мощности, требующий больших аппаратных затрат. Кроме того, устройство не определяет характер нагрузки и не обеспечивает самоконтроль исправности.

Известно устройство измерения коэффициента мощности (Справочник по нелинейным схемам. Под ред. Д. Шейнголда, с. 126-129. М., Мир, 1977), содержащее аналоговый умножитель, фильтры нижних и верхних частот, выпрямитель с фильтром и аналоговый делитель. Недостаток устройства заключается в отсутствии контроля предельного значения cos φ и определения знака sin φ, характеризующего характер нагрузки, а также цепей самоконтроля исправности устройства в целом.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для автоматического регулирования реактивной мощности (патент RU 2169978, МПК H02J 3/18, B60L 9/12, G05F 1/70, 27.06.2001), содержащее источник однофазного переменного напряжения, нагрузку, трансформаторы тока и напряжения, четыре аналоговых перемножителя, три интегратора, устройство вычисления квадратного корня, блок сравнения, блок импульсно-фазового управления и компенсатор реактивной мощности. Недостатком устройства также является невозможность контроля величины коэффициента мощности, определения характера нагрузки и отсутствие оперативной проверки произведенных устройством вычислительных операций.

Предлагаемое устройство основано на одновременном вычислении величин cos φ и sin φ с учетом знака последнего, полностью характеризующих подключенную к выходу инвертора нагрузку. Устройство обеспечивает также срабатывание сигнализации при достижении cos φ предельно допустимого значения (в частности, 0,5), определение характера нагрузки (индуктивная или емкостная) и самопроверку, выполненных устройством операций.

На чертеже представлена функциональная схема устройства контроля работы однофазного инвертора.

Устройство содержит источник 1 постоянного напряжения, подключенный к входу инвертора 2, с выходом которого связаны датчик 3 напряжения, датчик 4 тока и нагрузка 5 и два аналоговых перемножителя 6, 7 с фильтрами 8, 9 нижних частот на выходе. Выход датчика 4 соединен с первыми входами перемножителей 6, 7, а выход датчика 3 - со вторым входом перемножителя 6. Устройство снабжено фазовращателем 10 на 90 градусов, цепью из последовательно соединенных фильтра 11 верхних частот, выпрямителя 12 и фильтра 13 нижних частот, двумя аналоговыми делителями 14, 15, блоками 16, 17 индикации значений cos φ и sin φ, пороговым блоком 18, блоком 19 определения полярности sin φ, блоком 20 вычисления модуля векторной суммы, двухпороговым компаратором 21 и блоками 22, 23, 24 индикации характера нагрузки, перегрузки по реактивной мощности и неисправности устройства контроля. Фазовращатель 10 включен между выходом датчика 3 и вторым входом перемножителя 7. Выходы фильтров 8, 9 подсоединены к первым входам делителей 14, 15, со вторыми входами которых через цепь из последовательно соединенных фильтра 11, выпрямителя 12 и фильтра 13 связан выход перемножителя 6. Выходы делителей 14, 15 соединены соответственно с блоками 16, 18, первым входом блока 20 и с блоками 17, 19, вторым входом блока 20. Выход блока 20 через компаратор 21 подключен к блоку 24, а выходы блоков 18 и 19 подсоединены к блокам 23 и 22. Блоки 22, 23, 24 индикации могут быть выполнены на транзисторных ключах 25, 26, 27, 28, в коллекторные цепи которых включены светодиоды 29, 30, 31, 32.

Устройство контроля работы однофазного инвертора работает следующим образом.

При включении инвертора 2 постоянное напряжение от источника 1 преобразуется им в переменное, запитывающее нагрузку 5. На выходах датчиков 3 и 4 появляются напряжения, пропорциональные мгновенным значениям напряжения - U_msinωt и тока - I_msin(ωt±φ) нагрузки 5. Знак перед углом φ определяется характером нагрузки - для активно-емкостной нагрузки он положительный «+», для активно-индуктивной - отрицательный «-». Перемножитель 6 вычисляет произведение указанных напряжений:

U_msinωt×I_msin(ωt±φ)=U_mI_m/2×cosφ-UmIm/2×cos(2ωt±φ).

Из приведенного выражения следует, что на выходе перемножителя 6 появляются два напряжения. Одно из них - постоянное и пропорционально активной мощности, а второе - переменное, имеющее удвоенную частоту и амплитуду, пропорциональную полной мощности. Фильтр 8 подавляет высокочастотную составляющую и выделяет напряжение, пропорциональное активной мощности - U_mI_m/2×cosφ. Фильтр 11 подавляет низкочастотную и выделяет высокочастотную составляющую. Выпрямитель 12 и фильтр 13 преобразуют высокочастотную составляющую в постоянное напряжение, пропорциональное полной мощности - U_mI_m/2. Делитель 14 вычисляет отношение указанных напряжений, равное коэффициенту мощности установки - cosφ:

Одновременно с этим на перемножитель 7 поступают напряжения с датчика 4 и через фазовращатель 10 на 90 градусов - от датчика 3. Перемножитель 7 вычисляет произведение поступающих на него напряжений:

U_msin(ωt+90°)×I_msin(ωt±φ)=±U_mI_m/2×sinφ-U_mI_m/2×cos(2ωt+90°+φ).

Из приведенного выражения следует, что на выходе перемножителя появляются два напряжения. Одно из них - постоянное и пропорционально реактивной мощности, а второе - переменное с удвоенной частотой выходного напряжения инвертора 2. Полярность постоянного напряжения определяется характером нагрузки: при емкостном характере полярность - положительная, а при индуктивном - отрицательная. Фильтр 9 подавляет высокочастотную и выделяет низкочастотную составляющую, пропорциональную реактивной мощности.

Делитель 15 вычисляет отношение напряжений, поступающих на него выходов фильтров 9 и 13, равное ±sinφ:

В результате на выходах делителей 14 и 15 появляются напряжения, пропорциональные cos φ и sin φ. Связанные с выходами делителей 14, 15 блоки 16, 17 отображают их значения. Блок 18 контролирует величину cos φ и при ее уменьшении до предельного значения на выходе блока 18 появляется высокий потенциал, открывающий ключ 27 в блоке 23. При этом загорается светодиод 31, сигнализирующий о перегрузке инвертора 2 по реактивной мощности. Подключенный к выходу делителя 15 блок 19 реагирует на изменение полярности sin φ. Так, при переходе от отрицательной полярности к положительной на выходе блока 19 появляется перепад напряжения, открывающий в блоке 22 ключ 26 и зажигающий светодиод 30, сигнализирующий о емкостном характере нагрузки 5. А при переходе от положительной полярности к отрицательной в блоке 22 открывается ключ 25 и зажигается светодиод 29, сигнализирующий об индуктивном характере нагрузки 5. Выходы делителей 14, 15 подключены также к входам блока 20, производящего вычисление модуля векторной суммы по формуле:

.

При исправном устройстве контроля и при любых сочетаниях значений cos φ и sin φ их модуль векторной суммы должен оставаться постоянной и неизменной величиной. Компаратор 21 осуществляет сравнение модуля векторной суммы с этой величиной и при отклонении их друг от друга на заданную величину (например, ±5%) открывает в блоке 24 ключ 28, зажигающий светодиод 32, который сигнализирует о неисправности устройства контроля работы однофазного инвертора 2.

При необходимости к выходу блока 18, кроме блока 23, может быть подключено исполнительное устройство, отключающее инвертор 2 при достижении коэффициентом мощности неудовлетворительных значений (<0,5).

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает всесторонний контроль работы однофазного инвертора, отображая значения коэффициента мощности - cos φ и sin φ, определяет характер нагрузки, сигнализирует о выходе коэффициента мощности за допустимые пределы и обеспечивает самоконтроль устройства в целом.

Устройство может быть реализовано на широко распространенных аналоговых микросхемах и характеризуется низкой стоимостью, малыми габаритами и весом, высокой надежностью и простотой эксплуатации.