ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 1997 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при разработке высокочастотных источников электропитания электротехнологических установок, например установок индукционного нагрева.

Аналогом предлагаемого преобразователя является инвертор тока, широко используемый в электротермии ( Лабунцов В.А. Ривкин Г.А. Шевченко Г.И. Автономные тиристорные инверторы. Л. Энергия, 1967 г.).

Основным недостатком этого инвертора являетсяя тяжелый режим работы тиристоров из-за высокой скорости нарастания прямого тока в тиристорах.

Известны также преобразователи частоты с резонансным инвертором (Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок /Е.И.Беркович, Г.В.Ивенский, Ю.С.Иоффу и др. 2-е изд. переработанное и дополненное. Л. Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983). В известном преобразователе (фиг. 1) имеются прямые и обратные вентили, при этом в качестве прямых вентилей используются тиристоры 1 и 2, а обратных - диоды 3 и 4, конденсаторы 5 и 6 и реакторы 7 и 8 резонансных контуров, силовой трансформатор 9, включенный в диагональ переменного тока инвертора, образованного вентилями 1 4 и конденсаторами 5 и 6. На вход преобразователя должно подаваться постоянное напряжение, поэтому переменное напряжение сети выпрямляют выпрямителем 10 и сглаживают фильтром 11.

Схема управления содержит задающий генератор 12, счетчик 13 и демультиплексор 14. Счетчик и демультиплексор образуют распределитель импульсов тактового генератора. Импульсы с выхода демультиплексора подаются на управляющие входы тиристоров 1 и 2.

Работа прототипа поясняется временными диаграммами (фиг. 2).

На управляющие электроды тиристоров в противофазе подаются отпирающие импульсы. Пусть в момент t₀ открывается тиристор 1 и в первичной обмотке трансформатора 9 формируется импульс тока приблизительно синусоидальной формы (интервал t₁ t₀), а конденсаторы 5 и 6 перезаряжаются. После перехода тока в тиристоре 1 через нуль он закрывается, под действием напряжения на конденсаторах 5 и 6 открывается диод 3 и в обмотке трансформатора начинает протекать ток синусоидальной формы противоположного направления (интервал t₂ t₁). В этом интервале к тиристору 1 прикладывается обратное напряжение открытого диода и он закрывается. С некоторой задержкой относительно момента t₂ отпирающий импульс подается на тиристор 2 и процессы в преобразователе повторяются с участием тиристора 2 и диода 4. Таким образом, преобразователь осуществляет преобразование переменного напряжения питающей сети в переменное напряжение более высокой частоты.

Недостатком известных преобразователей является то, что в них имеется промежуточное звено постоянного тока (выпрямитель переменного напряжения питающей сети). Наличие такого звена ухудшает массогабаритные и энергетические показатели преобразователя.

Целью изобретения является улучшение массогабаритных и энергетических показателей преобразователя частоты.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе частоты, содержащем резонансный инвертор, силовой трансформатор и схему управления инвертором, включающую задающий генератор, счетчик и демультиплексор, вход инвертора подключен к сети переменного тока, вентили инвертора выполнены ввиде тиристоров, в схему управления введены датчики полярности и модуля мгновенного значения входного напряжения, D-триггер и два логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, информационный вход триггера подключен к выходу датчика модуля мгновенного значения, а синхронизирующий к выходу задающего генератора, выход триггера подключен к разрешающим входам счетчика и демультиплексора, первые входы логических элементов подключен к выходу датчика полярности, вторые входы к выходам счетчика, а их выходы к адресным входам демультиплексора.

На фиг. 3 приведена схема полумостового варианта предлагаемого преобразователя, который содержит резонансный инвертор с вентилями 1 4, выполненными в виде тиристоров, конденсаторы 5 и 6 резонансного контура, дроссели резонансного контура 7 и 8 и трансформатор 9, включенный в диагональ переменного тока инвертора. Вход преобразователя подключен к сети переменного тока и зашунтирован конденсатором 10, в выход к нагрузке 11. В схеме управления имеются задающий генератор 12, датчик модуля мгновенного значения входного напряжения 13 и датчик его полярности 14, D-триггер 15, счетчик 16, элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 и 18 и распределитель импульсов управления тиристорами на демультиплексоре 19. Входы датчиков подключены к питающей сети переменного тока, синхронизирующие входы D-триггера и счетчика подключены к выходу задающего генератора, информационный вход триггера присоединен к выходу датчика модуля мгновенного значения, а его выход к разрешающим входам счетчика и демультиплексора, выход датчика полярности подключен к первым входам логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, их вторые входы присоединены к выходам счетчика, выходы логических элементов подключены к адресным входам демультиплексора, его информационный вход подключен к выходу задающего генератора. Выходы демультиплексора через устройства развязки подключены к управляющим входам тиристоров инвертора.

Работу преобразователя поясняют временные диаграммы на фиг. 4.

Схема работает следующим образом. В положительный полупериод (когда на верхнем входном зажиме инвертора напряжение положительно относительно нижнего зажима) при достижении входным напряжением уровня срабатывания датчика модуля мгновенного значения 13 (t t₀) в триггер 15 в момент, определяемый очередным импульсом тактового генератора, запишется логическая единица (t t₁) и тем самым будет разрешена работа счетчика 16 и демультиплексора 19. На выходе датчика полярности 14 в этом полупериоде поддерживается сигнал низкого уровня, поэтому на адресные входы демультиплексора поступает прямой код счетчика и на выходах демультиплексора последовательно возникают импульсы управления тиристорами преобразователя. В инверторе последовательно будут включаться тиристоры 1, 3, 2, 4, а в обмотке трансформатора будет протекать ток в виде импульсов приблизительно синусоидальной формы. После того как напряжение снизится до уровня отпускания датчика модуля мгновенного значения в триггер 15 запишется логический ноль (t t₂). Работа счетчика и демультиплексора будет заблокирована и инвертирование прекратится, при этом счетчик сохранит информацию о том, какой тиристор был включен последним перед выключением инвертора. При смене полярности входного напряжения (t t₃) изменяется состояние датчика полярности, и на адресные входы демультиплексора начинает поступать инверсный код счетчика. Как только мгновенное значение входного напряжения вновь достигает уровня срабатывания датчика 13 на его выходе снова возникает логическая единица (t t₄). Очередным импульсом тактового генератора триггер будет установлен в единицу (t t₅) и на тиристоры инвертора с выхода демультиплексора снова начнет поступать импульсы управления, но последовательность их включения будет обратной по отношению к ранее рассмотренному интервалу 4, 2, 3, 1, поскольку тиристоры 3 и 4 при этой полярности входного напряжения становятся прямыми, а 1 и 2 обратными. Прекращение работы инвертора при малых входных напряжениях необходимо для исключения срыва инвертирования, т.к. коммутация тиристоров может оказаться невозможной.

Таким образом, предлагаемый преобразователь без звена постоянного тока способен работать от сети переменного тока. Исключение входного выпрямителя позволяет уменьшить габариты преобразователя, а исключение промежуточного преобразования энергии способствует повышению его КПД.

Использование: преобразователь частоты может быть использован при разработке высокочастотных источников электропитания электротехнологических установок. Сущность: преобразователь частоты содержит резонансный инвертор, схему управления, включающую задающий генератор, выход которого присоединен к входам счетчика и демультиплексора. Вентили резонансного инвертора выполнены в виде тиристоров, вход инвертора присоединен к сети переменного тока, в схему управления введены датчик полярности входного напряжения и датчик модуля мгновенного значения входного напряжения, входы которых подключены ко входу инвертора, D-триггер и два элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, информационный вход триггера присоединен к выходу датчика модуля мгновенного значения, синхронизирующий вход триггера подключен к выходу задающего генератора, выход триггера присоединен к разрешающим входам счетчика и демультиплексора, первые входы логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены к выходу датчика полярности, вторые входы - к выходам счетчика, а выходы - к адресным входам демультиплексора. 4 ил.

Преобразователь частоты, включающий инвертор, содержащий прямые и обратные вентили, конденсаторы и дроссели резонансного контура, образующие последовательную резонансную цепь с нагрузкой инвертора, схему управления, включающую задающий генератор, счетчик и демультиплексор, отличающийся тем, что все вентили инвертора выполнены в виде тиристора, вход инвертора присоединен к сети переменного тока, в схему управления введены датчик полярности входного напряжения и датчик модуля мгновенного значения входного напряжения, D-триггер и два элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, информационный вход триггера присоединен к выходу датчика модуля мгновенного значения, синхронизирующий вход триггера подключен к выходу задающего генератора, а его выход к разрешающим входам счетчика и демультиплексора, первые входы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены к выходу датчика полярности, второй вход первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к первому разряду двухразрядного счетчика, а его выход к первому разряду адреса двухадресного демультиплексора, второй вход второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к второму разряду счетчика, а его выход к второму разряду адреса демультиплексора.