ОДНОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2019 года по МПК H02M5/45 

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к статическим преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии.

Известно устройство однофазного преобразователя частоты [патент SU 1422329 А1, ОДНОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, класс Н02М 5/27, дата выдачи 07.09.1988, дата приоритета 01.07.1985, автор Мордвинов Ю.А.] содержащего силовую часть выполненную по мостовой схеме на четырех ключах переменного тока на основе восьми транзисторов, запоминающий конденсатор и блок управления. В представленном устройстве уменьшается количество запоминающих конденсаторов и улучшается качество формируемого выходного напряжения. Недостатком известного устройства является большое количество полностью управляемых силовых транзисторов а, следовательно, схема имеет большой габарит и вес. Еще одним недостатком известного устройства является сложная схема системы управления однофазным преобразователем частоты, которая должна содержать восемь выходных сигналов системы управления.

Известно устройство и способ управления преобразователем частоты [патент RU 2431914 С1, СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ, класс Н02М 5/458, дата выдачи 20.10.2011, дата приоритета 15.06.2010, автор Силкин Е.М.] содержащего сетевой фильтр, однофазный двухполупериодный выпрямитель, собранный на диодах, кламп, конденсаторный делитель, собранный на двух конденсаторах подключенных последовательно в звено постоянного тока, общая точка соединения которых образует один вывод преобразователя частоты и полумост инвертора выполненный на двух транзисторах, общая точка соединении которых образует второй вывод преобразователя частоты. Достоинством известной схемы преобразователя частоты является простота схемы силовой части и простота системы управления преобразователем частоты, в которой необходимо сформировать всего два сигнала управления транзисторами полумоста инвертора. К недостаткам известного устройства относится то, что инвертор преобразователя частоты собран по полумостовой схеме с емкостным делителем звена постоянного тока. Следовательно, напряжения на конденсаторах емкостного делителя звена постоянного тока может не равномерно распределяться в статическом режиме и будут значительно изменяться при работе в больших пределах в зависимости от нагрузки однофазного преобразователя частоты. Еще одним недостатком известной схемы однофазного преобразователя частоты является невозможность рекуперации энергии в питающую сеть.

Наиболее близким по технической сущности является устройство однофазного преобразователя частоты [патент CN 204481689, класс Н02М 5/45, Н02М 5/458, Н02М 7/757, дата приоритета 15.07.2015 г., заявка CN 20152195504 U 20150402,Voltage commutation bidirectional inverter, авторы YU KEFAN; CHEN JING; ZHANG TIANTIAN] собранного по схеме двухзвенного однофазного преобразователя частоты собранного на основе полумостового инвертора напряжения. Однофазный преобразователь частоты содержит входной и выходной фильтры, выпрямитель напряжения на четырех полностью управляемых силовых ключах, емкостной делитель напряжения звена постоянного тока и полумост инвертора напряжения на базе двух полностью управляемых силовых ключей. Отличительной особенностью предложения является обратимость предложенного преобразователя частоты то есть такой преобразователь частоты имеет возможность двунаправленного обмена энергией между источником переменного напряжения и нагрузкой. К недостаткам известного устройства относится то, что инвертор преобразователя частоты собран на полумостовой схеме с емкостным делителем звена постоянного тока а, следовательно, данной схеме присуще те же недостатки что и ранее рассмотренной, а именно неравномерность распределения напряжении в статическом и динамическом режимах на конденсаторах емкостного делителя. К недостаткам известного однофазного преобразователя частоты может быть отнесено наличие входного и выходного фильтров, которые имеют значительный габарит и вес, а также большое количество полностью управляемых ключей силовой части схемы.

Предлагаемый однофазный преобразователь частоты позволяет с использованием всего двух диодов и двух полностью управляемых ключей - транзисторов с антипараллельными диодами довольно таки просто реализовать однофазный преобразователь частоты. К достоинствам предложенной схемы однофазного преобразователя частоты можно отнести и возможность более равномерного распределения напряжения на конденсаторах емкостного делителя напряжения, а так же возможность уменьшения величины пульсации напряжения на конденсаторах. При использовании активного выпрямителя на входе такого однофазного преобразователя частоты появляется возможность двунаправленного обмена энергией активной нагрузки с питающей сетью. Уменьшение количества силовых полностью управляемых ключей в преобразователе частоты ведет к упрощению системы управления, количества драйверов, уменьшению потерь в силовой части инвертора и как следствие уменьшению тепловыделении инверторной части преобразователя частоты. Таким образом, предлагаемый однофазный преобразователь частоты позволяет не только сократить количество полупроводниковых элементов в схеме и значительно упростить систему управления, но и значительно повысить надежность и коэффициент полезного действия.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в схеме однофазного преобразователя частоты содержащего систему управления, два вывода питающей сети, два вывода для подключения нагрузки, выпрямитель напряжения, емкостной делитель напряжения собранный на двух конденсаторах и транзисторный полумост, состоящий из двух транзисторов каждый из которых содержит антипараллельный диод, причем первый вывод питающей сети подключен на вход выпрямителя напряжения, конденсаторы емкостного делителя подключены последовательно между собой и подключены к положительному и отрицательному выводу выпрямителя напряжения, коллектор первого транзистора подключен к положительному выводу выпрямителя напряжения и положительному выводу емкостного делителя, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора и первым выводом для подключения нагрузки, эмиттер второго транзистора подключен к отрицательному выводу выпрямителя напряжения и отрицательному выводу емкостного делителя, второй вывод для подключения нагрузки соединен с общей точкой конденсаторов емкостного делителя, предусмотрены следующие отличия: выпрямитель напряжения состоит из диодного полумоста, состоящего из двух диодов, причем анод первого диода соединен с катодом второго диода и со входом выпрямителя напряжения, катод первого диода подключен к положительному выводу выпрямителя напряжения, а анод второго диода подключен к отрицательному выводу выпрямителя напряжения, второй вывод питающей сети подключен к общей точке конденсаторов емкостного делителя и ко второму выводу для подключения нагрузки.

Кроме того, однофазный преобразователь частоты может быть выполнен, так что выпрямитель напряжения выполнен многофазным, а его питание осуществляется от многофазного источника переменного напряжения - многофазной питающей сети с нулевым выводом, многофазный выпрямитель напряжения выполнен с использованием диодных полумостов, количество которых равно количеству фаз питающей сети, каждый из диодных полумостов своим входом подключен к своему выводу фазы питающей сети, положительные выводы диодных полумостов соединены между собой, и отрицательные выводы диодных полумостов соединены между собой, а общая точка конденсаторов емкостного делителя и второго вывода для подключения нагрузки соединены с нулевым выводом питающей сети.

Кроме того, однофазный преобразователь частоты может быть выполнен, так что выпрямитель напряжения выполнен активным на двух полностью управляемых полупроводниковых ключах - транзисторах, а именно каждому из диодов выпрямителя напряжения антипараллельно включен свой транзистор, а между первым выводом питающей сети и входом выпрямителя напряжения включен дроссель.

Кроме того, однофазный преобразователь частоты может быть выполнен, так что выпрямитель напряжения выполнен многофазным активным на полностью управляемых полупроводниковых ключах, а именно каждому из диодов каждого выпрямительного полумоста антипараллельно включен свой транзистор, количество входных фаз активного выпрямителя напряжения равно количеству фаз питающей сети, положительные выводы полумостов активного выпрямителя напряжения соединены между собой, и отрицательные выводы полумостов активного выпрямителя соединены между собой, а между каждым выводом фазы питающей сети и входами полумостов активного выпрямителя напряжения включены дроссели, а общая точка конденсаторов емкостного делителя и второго вывода для подключения нагрузки соединены с нулевым выводом питающей сети.

Кроме того, однофазный преобразователь частоты может быть выполнен, так что выпрямитель напряжения выполнен с использованием двух тиристоров, причем анод первого тиристора соединен с катодом второго тиристора и с входом выпрямителя напряжения, катод первого тиристора соединен с положительным выводом выпрямителя напряжения, анод второго тиристора соединен с отрицательным выводом выпрямителя напряжения, а управляющие электроды тиристоров подключены к системе управления.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в схеме однофазного преобразователя частоты содержащего систему управления, два вывода питающей сети, два вывода для подключения нагрузки, выпрямитель напряжения, конденсатор звена постоянного тока и транзисторный полумост, состоящий из двух транзисторов каждый из которых содержит антипараллельный диод, конденсатор звена постоянного тока одноименными обкладками подключен к положительному и отрицательному выводу выпрямителя напряжения, коллектор первого транзистора подключен к положительному выводу выпрямителя напряжения и положительному выводу конденсатора звена постоянного тока, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора и первым выводом для подключения нагрузки, эмиттер второго транзистора подключен к отрицательному выводу выпрямителя напряжения и отрицательному выводу конденсатора звена постоянного тока, предусмотрены следующие отличиях выпрямитель напряжения состоит из диодного полумоста, состоящего из двух диодов, причем анод первого диода соединен с катодом второго диода и со входом выпрямителя напряжения, катод первого диода подключен к положительному выводу выпрямителя напряжения, а анод второго диода подключен к отрицательному выводу выпрямителя напряжения, второй вывод питающей сети подключен ко второму выводу для подключения нагрузки.

Кроме того, однофазный преобразователь частоты может быть выполнен, так что выпрямитель напряжения выполнен многофазным, а его питание осуществляется от многофазного источника переменного напряжения - многофазной питающей сети с нулевым выводом, многофазный выпрямитель напряжения выполнен с использованием диодных полумостов, количество которых равно количеству фаз питающей сети, каждый из диодных полумостов своим входом подключен к своему выводу фазы питающей сети, положительные выводы диодных полумостов соединены между собой, и отрицательные выводы диодных полумостов соединены между собой, а второй вывод для подключения нагрузки соединен с нулевым выводом питающей сети.

Кроме того, однофазный преобразователь частоты может быть выполнен, так что выпрямитель напряжения выполнен активным на двух полностью управляемых полупроводниковых ключах - транзисторах, а именно каждому из диодов выпрямительного полумоста антипаралельно включен свой транзистор, а между первым выводом питающей сети и входом выпрямителя напряжения включен дроссель.

Кроме того, однофазный преобразователь частоты может быть выполнен, так что выпрямитель напряжения выполнен многофазным активным на полностью управляемых полупроводниковых ключах, а именно каждому из диодов каждого диодного выпрямительного полумоста антипаралельно включен свой транзистор, количество входных фаз активного выпрямителя напряжения равно количеству фаз питающей сети, положительные выводы полумостов активного выпрямителя напряжения соединены между собой, и отрицательные выводы полумостов активного выпрямителя напряжения соединены между собой, а между каждым выводом фазы питающей сети и входами полумостов активного выпрямителя напряжения включены дроссели, а второй вывод для подключения нагрузки соединен с нулевым выводом питающей сети.

Кроме того, однофазный преобразователь частоты может быть выполнен, так что выпрямитель напряжения выполнен с использованием двух тиристоров, причем анод первого тиристора соединен с катодом второго тиристора и с входом выпрямителя напряжения, катод первого тиристора соединен с положительным выводом выпрямителя напряжения, анод второго тиристора соединен с отрицательным выводом выпрямителя напряжения, а управляющие электроды тиристоров подключены к системе управления.

Описанные преимущества достигаются тем, что однофазный преобразователь частоты снабжен дополнительными связями и элементами, позволяющими реализовать двухуровневый источник постоянного напряжения с транзисторным полумостом, реализующим однофазный инвертор напряжения. Изменяя скважность работы управляемых ключей инвертора, можно осуществлять изменение по заданному алгоритму или стабилизацию уровня выходного напряжения относительно уровня напряжения питающей сети.

Сущность изобретения поясняется чертежами - на Фиг. 1 представлена схема однофазно - однофазного преобразователя частоты с двумя конденсаторами звена постоянного тока и соединением общей точки конденсаторов с фазой питающей сети и одним из выводов нагрузки, на Фиг. 2 представлена схема многофазно - однофазного преобразователя частоты с двумя конденсаторами звена постоянного тока и соединением общей точки конденсаторов с нулевым выводом питающей сети и одним из выводов нагрузки, на Фиг. 3 представлена схема двунаправленного однофазно - однофазного преобразователя частоты с активным выпрямителем и с двумя конденсаторами звена постоянного тока и соединением общей точки конденсаторов с фазой питающей сети и одним из выводов нагрузки, на Фиг. 4 - схема двунаправленного многофазно - однофазного преобразователя частоты с активным выпрямителем и с двумя конденсаторами звена постоянного тока и соединением общей точки конденсаторов с нулевым выводом питающей сети и одним из выводов нагрузки, на Фиг. 5 - схема однофазно - однофазного преобразователя частоты с управляемым вниз выпрямителем и двумя конденсаторами звена постоянного тока и соединением общей точки конденсаторов с фазой питающей сети и одним из выводов нагрузки, на Фиг. 6 - схема однофазно - однофазного преобразователя частоты с одним конденсатором звена постоянного тока и соединением фазы питающей сети с одним из выводов нагрузки, на Фиг. 7 - схема многофазно - однофазного преобразователя частоты с одним конденсатором звена постоянного тока и соединением нулевого вывода питающей сети с одним из выводов нагрузки, на Фиг. 8 - схема двунаправленного однофазно - однофазного преобразователя частоты с активным выпрямителем и с одним конденсатором звена постоянного тока и соединением вывода фазы пи-тающей сети с одним из выводов нагрузки, на Фиг. 9 - схема двунаправленного многофазно - однофазного преобразователя частоты с активным выпрямителем и с одним конденсатором звена постоянного тока и соединением нулевого вывода питающей сети с одним из выводов нагрузки, на Фиг. 10 - схема однофазно - однофазного преобразователя частоты с управляемым вниз выпрямителем и с одним конденсатором звена постоянного тока и соединением нулевого вывода питающей сети с одним из выводов нагрузки.

Однофазный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, два вывода 2, 3 питающей сети, два вывода 4, 5 для подключения нагрузки, выпрямитель напряжения 6, емкостной делитель напряжения 7 собранный на двух конденсаторах 8, 9 и транзисторный полумост 10, состоящий из двух транзисторов 11, 12 каждый из которых содержит антипараллельный диод 13, 14. Первый вывод 2 питающей сети подключен на вход выпрямителя напряжения 6, конденсаторы 8, 9 емкостного делителя 7 подключены последовательно между собой и подключены к положительному и отрицательному выводу выпрямителя напряжения 6. Коллектор первого транзистора 11 подключен к положительному выводу выпрямителя напряжения 6 и положительному выводу емкостного делителя 7, эмиттер первого транзистора 11 соединен с коллектором второго транзистора 12 и первым выводом 4 для подключения нагрузки. Эмиттер второго транзистора 12 подключен к отрицательному выводу выпрямителя напряжения 6 и отрицательному выводу емкостного делителя 7. Второй вывод 5 для подключения нагрузки соединен с общей точкой конденсаторов 8, 9 емкостного делителя 7. Выпрямитель напряжения 6 состоит из диодного полумоста 15, состоящего из двух диодов 16, 17, причем анод первого диода 16 соединен с катодом второго диода 17 и с входом выпрямителя напряжения 6. Катод первого диода 16 подключен к положительному выводу выпрямителя напряжения 6, а анод второго диода 17 подключен к отрицательному выводу выпрямителя напряжения 6, второй вывод 3 питающей сети подключен к общей точке конденсаторов 8, 9 емкостного делителя 7 и ко второму выводу 5 для подключения нагрузки.

Однофазный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 2, содержит многофазный выпрямитель напряжения 6, а его питание осуществляется от многофазного источника переменного напряжения - многофазной питающей сети с нулевым выводом 18. Многофазный выпрямитель напряжения 6 выполнен с использованием диодных полумостов 15-1, 15-2÷15-N количество которых равно количеству фаз 2-1, 2-2÷2-N питающей сети. Каждый из диодных полумостов 15-1, 15-2÷15-N своим входом подключен к своему выводу фазы 2-1, 2-2÷2-N питающей сети. Положительные выводы диодных полумостов 15-1, 15-2÷15-N соединены между собой, и отрицательные выводы диодных полумостов 15-1, 15-2÷15-N соединены между собой. Общая точка конденсаторов 8, 9 емкостного делителя 7 и второго вывода 5 для подключения нагрузки соединены с нулевым выводом 18 питающей сети.

Однофазный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 3, содержит выпрямитель напряжения 6 который выполнен активным на двух полностью управляемых полупроводниковых ключах - транзисторах 19, 20. Причем каждому из диодов 16, 17 выпрямителя напряжения 6 антипараллельно включен свой транзистор 19, 20. Между первым выводом 2 питающей сети и входом выпрямителя напряжения 6 включен дроссель 21.

Однофазный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 4, содержит выпрямитель напряжения 6 который выполнен многофазным активным на полностью управляемых полупроводниковых ключах. Каждому из диодов 16, 17, каждого выпрямительного полумоста 15-1, 15-2÷15-N антипараллельно включен свой транзистор 19, 20. Количество входных фаз активного выпрямителя напряжения 6 равно количеству фаз 2-1, 2-2÷2-N питающей сети. Положительные выводы полумостов 15-1, 15-2÷15-N активного выпрямителя напряжения 6 соединены между собой, и отрицательные выводы полумостов 15-1, 15-2÷15-N активного выпрямителя 6 соединены между собой. Между каждым выводом фазы 2-1, 2-2÷2-N питающей сети и входами полумостов 15-1, 15-2÷15-N активного выпрямителя напряжения 6 включены дроссели 21-1, 21-2÷21-N, а общая точка конденсаторов 8, 9 емкостного делителя 7 и второго вывода 5 для подключения нагрузки соединены с нулевым выводом 18 питающей сети.

Однофазный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 5, содержит выпрямитель напряжения выполненный с использованием двух тиристоров 22, 23. Причем анод первого тиристора 22 соединен с катодом второго тиристора 23 и с входом выпрямителя напряжения 6. Катод первого тиристора 22 соединен с положительным выводом выпрямителя напряжения 6. Анод второго тиристора 23 соединен с отрицательным выводом выпрямителя напряжения 6. Управляющие электроды тиристоров 22, 23 подключены к системе управления 1.

Однофазный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 6, содержит систему управления 1, два вывода 2, 3 питающей сети, два вывода 4, 5 для подключения нагрузки, выпрямитель напряжения 6, конденсатор 8 звена постоянного тока и транзисторный полумост 10, состоящий из двух транзисторов 11, 12 каждый из которых содержит антипараллельный диод 13, 14. Конденсатор 8 звена постоянного тока одноименными обкладками подключен к положительному и отрицательному выводу выпрямителя напряжения 6. Коллектор первого транзистора 11 подключен к положительному выводу выпрямителя напряжения 6 и положительному выводу конденсатора 8 звена постоянного тока. Эмиттер первого транзистора 11 соединен с коллектором второго транзистора 12 и первым выводом 4 для подключения нагрузки, эмиттер второго транзистора 12 подключен к отрицательному выводу выпрямителя напряжения 6 и отрицательному выводу конденсатора 8 звена постоянного тока. Выпрямитель напряжения 6 состоит из диодного полумоста 15, состоящего из двух диодов 16, 17. Анод первого диода 16 соединен с катодом второго диода 17 и с входом выпрямителя напряжения 6. Катод первого диода 16 подключен к положительному выводу выпрямителя напряжения 6. Анод второго диода 17 подключен к отрицательному выводу выпрямителя напряжения 6. Второй вывод 3 питающей сети подключен ко второму выводу 5 для подключения нагрузки.

Однофазный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 7, содержит выпрямитель напряжения выполненный многофазным. Питание однофазного преобразователя частоты осуществляется от многофазного источника переменного напряжения - многофазной питающей сети с нулевым выводом 18. Многофазный выпрямитель напряжения 6 выполнен с использованием диодных полумостов 15-1, 15-2÷15-N, количество которых равно количеству фаз 2-1, 2-2÷2-N питающей сети. Каждый из диодных полумостов 15-1, 15-2÷15-N своим входом подключен к своему выводу фазы 2-1, 2-2÷2-N питающей сети. Положительные выводы диодных полумостов 15-1, 15-2÷15-N соединены между собой, и отрицательные выводы диодных полумостов 15-1, 15-2÷15-N соединены между собой. Второй вывод 5 для подключения нагрузки соединен с нулевым выводом 18 питающей сети.

Однофазный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 8, содержит выпрямитель напряжения 6 выполнен активным на двух полностью управляемых полупроводниковых ключах - транзисторах 19, 20. Каждому из диодов 16, 17 выпрямительного полумоста 15 антипараллельно включен свой транзистор 19, 20. Между первым выводом 2 питающей сети и входом выпрямителя напряжения 6 включен дроссель 21.

Однофазный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 9, содержит выпрямитель напряжения 6 выполнен многофазным активным на полностью управляемых полупроводниковых ключах. Каждому из диодов 19, 20 каждого диодного выпрямительного полумоста 15-1, 15-2÷15-N антипараллельно включен свой транзистор 19, 20. Количество входных фаз активного выпрямителя напряжения 6 равно количеству фаз 2-1, 2-2÷2-N пи-тающей сети. Положительные выводы полумостов 15-1, 15-2÷15-N активного выпрямителя напряжения 6 соединены между собой, и отрицательные выводы полумостов 15-1, 15-2÷15-N активного выпрямителя напряжения 6 соединены между собой. Между каждым выводом фазы 2-1, 2-2÷2-N питающей сети и входами полумостов 15-1, 15-2÷15-N активного выпрямителя напряжения 6 включены дроссели 21-1, 21-2÷21-N. Второй вывод 5 для подключения нагрузки соединен с нулевым выводом 18 питающей сети.

Однофазный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 10, содержит выпрямитель напряжения выполненный с использованием двух тиристоров 22, 23. Причем анод первого тиристора 22 соединен с катодом второго тиристора 23 и с входом выпрямителя напряжения 6. Катод первого тиристора 22 соединен с положительным выводом выпрямителя напряжения 6. Анод второго тиристора 23 соединен с отрицательным выводом выпрямителя напряжения 6. Управляющие электроды тиристоров 22, 23 подключены к системе управления 1.

Работа однофазного преобразователя частоты изображенного на Фиг. 1 происходит следующим образом.

Отдельно рассмотрим более подробно организацию и работу выпрямителя напряжения 6 однофазного преобразователя частоты. При наличии напряжения на выводах 2, 3 питающей сети на положительной и отрицательной шинах звена постоянного тока относительно общей точки конденсаторов 8, 9 формируются положительный и отрицательный уровень напряжения соответственно. Выпрямитель 6 собранный на одном полумосте 15 или на двух диодах 16, 17 представляет собой однофазный двухполупериодный выпрямитель относительно питающей сети. Относительно конденсаторов 8, 9 диоды 16, 17 соответственно представляют собой однофазные однополупериодные выпрямители с общей точкой конденсаторов 8, 9.

Среднее значение напряжения на конденсаторах 8, 9 и на обоих конденсаторах 8 и 9 будет находиться в диапазоне

где U_ф1 - действующее значение напряжения питающей сети между выводами 2, 3 питающей сети, U₈ - среднее значение напряжения на конденсаторе 8, U₉ - среднее значение напряжения на конденсаторе 9, U_(8)+(9) - среднее значение напряжения на последовательно соединенных конденсаторах 8 и 9.

Уровень среднего значения напряжения на конденсаторах 8 и 9 и на нагрузке инвертора будет зависеть от действующего значения напряжения питающей сети, величины емкости конденсаторов 8 и 9 и мощности потребляемой нагрузкой.

Отдельно рассмотрим более подробно организацию и работу инвертора напряжения 10 однофазного преобразователя частоты.

Транзисторы 11, 12 и диоды 13, 14 организуют транзисторный полумост и схему инвертора напряжения 10 для питания нагрузки однофазного преобразователя частоты. Изменяя порядок и скважность работы транзисторов 11 и 12 можно изменять действующее значение, частоту и фазу выходного напряжения питающего нагрузку однофазного преобразователя частоты. Алгоритмом работы транзисторов 11 и 12 можно добиться реализации закона управления выходным напряжением на нагрузке согласно закону однополярной или двухполярной ШИМ. При этом должен быть исключен режим одновременного включенного состояния обоих транзисторов 11 и 12.

Таким образом, элементы схемы 16, 17, 8, 9 отвечают за организацию двухполярного источника питания инвертора напряжения 10, а элементы схемы 11, 12, 13, 14 отвечают за преобразование двухполярного постоянного напряжения в переменное напряжение с требуемыми параметрами действующего значения, частоты и фазы.

С учетом того что выпрямитель 6 (Фиг. 1) для каждого из конденсаторов 8 и 9 представляет собой однофазный однополупериодный выпрямитель следовательно на конденсаторах 8, 9 будут большие пульсации напряжения которые будут зависеть от емкости самих конденсаторов 8, 9 и уровня нагрузки подключенной на выход однофазного преобразователя частоты. Для снижения уровня пульсации напряжения на конденсаторах 8, 9 и на нагрузке однофазного преобразователя частоты выпрямитель напряжения 6 может быть выполнен многофазным при питании однофазного преобразователя частоты от многофазного источника переменного напряжения - многофазной питающей сети с нулевым выводом 18 (Фиг. 2). Использование многофазного выпрямителя напряжения 6 на полумостах 15-1, 15-2÷15-N позволит значительно уменьшить величину пульсации напряжения на конденсаторах 8 и 9.

Для осуществления обмена энергией между активной нагрузкой однофазного преобразователя частоты и питающей сетью однофазны преобразователь частоты (Фиг. 3) может быть снабжен дросселем 21, а выпрямитель напряжения выполнен активным на транзисторах 19, 20. Помимо возможности обмена энергией между питающей сетью и активной нагрузкой активный выпрямитель напряжения (Фиг. 3) может осуществлять регулирование уровня напряжения на конденсаторах 8, 9 и на нагрузке однофазного преобразователя частоты вверх от уровня напряжения, определяемого неуправляемым выпрямителем. Данная схема (Фиг. 3) позволяет потреблять из питающей сети практически синусоидальный ток, а также обеспечивает возможность регулирования фазы этого тока относительно напряжения питающей сети (позволяет регулировать коэффициент мощности - cos(ϕ)).

Для снижения уровня пульсации напряжения на конденсаторах 8, 9 и возможности регулирования уровня напряжения на конденсаторах 8, 9 вверх от уровня напряжения, определяемого неуправляемым выпрямителем выпрямитель напряжения 6 может быть выполнен активным многофазным при питании однофазного преобразователя частоты от многофазного источника переменного напряжения - многофазной питающей сети с нулевым выводом 18 (Фиг. 4).

Для возможности регулирования уровня напряжения в звене постоянного тока и на нагрузке однофазный преобразователь частоты, схема которого изображена на Фиг. 5 может быть снабжен тиристорами 22, 23. При такой схеме управления, возможно, осуществлять регулирование уровня напряжения на конденсаторах 8, 9 вниз от уровня напряжения неуправляемого выпрямителя. Управление тиристорами 22, 23 осуществляется методом импульсно-фазового управления.

Следует отметить, что все предложенные схемные решения (Фиг. 1 - Фиг. 5) позволяют уменьшить уровень пульсации напряжения на конденсатоpax 8, 9 а, следовательно, улучшить качество формируемого выходного напряжения для питания нагрузки однофазного преобразователя частоты.

На Фиг. 6 - Фиг. 10 представлены варианты схем однофазного преобразователя частоты с одним конденсатором 8 звена постоянного тока однофазного преобразователя частоты. Такое решение еще более упрощает схему однофазного преобразователя частоты, но ухудшает качество формируемого напряжения на нагрузке. Отличительной особенностью вариантов схем изображенных на Фиг. 6 - Фиг. 10 является соединение вывода 3 питающей сети или нулевого вывода 18 питающей сети со вторым выводом 5 для подключения нагрузки. Остальные особенности работы схем представленных на Фиг. 6 - Фиг. 10 аналогичны работе схем изображенных на Фиг. 1 - Фиг. 5 соответственно.

Предлагаемое устройство однофазного преобразователя частоты позволяет с использованием четырех полупроводниковых элементов реализовать схему однофазного преобразователя частоты и осуществлять регулирование частоты, фазы, а также уровня напряжения на нагрузке как ниже, так и выше уровня определяемого напряжением питающей сети. Однофазный преобразователь частоты по сравнению с известными схемами позволяет улучшить качество синтезируемого напряжения на нагрузке, а также улучшить массогабаритные и энергетические характеристики. Таким образом, предлагаемый однофазный преобразователь частоты позволяет не только сократить количество полностью управляемых полупроводниковых элементов в схеме и значительно упростить систему управления, но и значительно повысить надежность и коэффициент полезного действия.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к статическим преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии. Технический результат - повышение качества синтезируемого выходного напряжения на нагрузке, уменьшение уровня пульсации и более равномерное распределение напряжения на конденсаторах звена постоянного тока, а также сокращение количества полностью управляемых полупроводниковых элементов и упрощение системы управления однофазного преобразователя частоты. Технический результат достигается тем, что однофазный преобразователь частоты снабжен дополнительными связями и элементами, позволяющими реализовать двухуровневый источник постоянного напряжения с транзисторным полумостом, реализующим однофазный инвертор напряжения. Изменяя скважность работы управляемых ключей инвертора, можно осуществлять изменение по заданному алгоритму или стабилизацию уровня выходного напряжения относительно уровня напряжения питающей сети. Представленные схемы позволяют осуществлять регулирование амплитуды напряжения на нагрузке в широком диапазоне. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Однофазный преобразователь частоты, содержащий систему управления, два вывода питающей сети, два вывода для подключения нагрузки, выпрямитель напряжения, емкостной делитель напряжения, собранный на двух конденсаторах, и транзисторный полумост, состоящий из двух транзисторов, каждый из которых содержит антипараллельный диод, причем первый вывод питающей сети подключен на вход выпрямителя напряжения, конденсаторы емкостного делителя подключены последовательно между собой и подключены к положительному и отрицательному выводам выпрямителя напряжения, коллектор первого транзистора подключен к положительному выводу выпрямителя напряжения и положительному выводу емкостного делителя, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора и первым выводом для подключения нагрузки, эмиттер второго транзистора подключен к отрицательному выводу выпрямителя напряжения и отрицательному выводу емкостного делителя, второй вывод для подключения нагрузки соединен с общей точкой конденсаторов емкостного делителя, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения состоит из диодного полумоста, состоящего из двух диодов, причем анод первого диода соединен с катодом второго диода и с входом выпрямителя напряжения, катод первого диода подключен к положительному выводу выпрямителя напряжения, а анод второго диода подключен к отрицательному выводу выпрямителя напряжения, второй вывод питающей сети подключен к общей точке конденсаторов емкостного делителя и ко второму выводу для подключения нагрузки.

2. Однофазный преобразователь частоты по п. 1, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения выполнен многофазным, а его питание осуществляется от многофазного источника переменного напряжения - многофазной питающей сети с нулевым выводом, многофазный выпрямитель напряжения выполнен с использованием диодных полумостов, количество которых равно количеству фаз питающей сети, каждый из диодных полумостов своим входом подключен к своему выводу фазы питающей сети, положительные выводы диодных полумостов соединены между собой, и отрицательные выводы диодных полумостов соединены между собой, а общая точка конденсаторов емкостного делителя и второго вывода для подключения нагрузки соединена с нулевым выводом питающей сети.

3. Однофазный преобразователь частоты по п. 1, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения выполнен активным на двух полностью управляемых полупроводниковых ключах-транзисторах, а именно каждому из диодов выпрямителя напряжения антипараллельно включен свой транзистор, а между первым выводом питающей сети и входом выпрямителя напряжения включен дроссель.

4. Однофазный преобразователь частоты по п. 1, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения выполнен многофазным активным на полностью управляемых полупроводниковых ключах, а именно каждому из диодов каждого выпрямительного полумоста антипараллельно включен свой транзистор, количество входных фаз активного выпрямителя напряжения равно количеству фаз питающей сети, положительные выводы полумостов активного выпрямителя напряжения соединены между собой, и отрицательные выводы полумостов активного выпрямителя соединены между собой, а между каждым выводом фазы питающей сети и входами полумостов активного выпрямителя напряжения включены дроссели, а общая точка конденсаторов емкостного делителя и второго вывода для подключения нагрузки соединена с нулевым выводом питающей сети.

5. Однофазный преобразователь частоты по п. 1, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения выполнен с использованием двух тиристоров, причем анод первого тиристора соединен с катодом второго тиристора и с входом выпрямителя напряжения, катод первого тиристора соединен с положительным выводом выпрямителя напряжения, анод второго тиристора соединен с отрицательным выводом выпрямителя напряжения, а управляющие электроды подключены к системе управления.

6. Однофазный преобразователь частоты, содержащий систему управления, два вывода питающей сети, два вывода для подключения нагрузки, выпрямитель напряжения, конденсатор звена постоянного тока и транзисторный полумост, состоящий из двух транзисторов, каждый из которых содержит антипараллельный диод, конденсатор звена постоянного тока одноименными обкладками подключен к положительному и отрицательному выводам выпрямителя напряжения, коллектор первого транзистора подключен к положительному выводу выпрямителя напряжения и положительному выводу конденсатора звена постоянного тока, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора и первым выводом для подключения нагрузки, эмиттер второго транзистора подключен к отрицательному выводу выпрямителя напряжения и отрицательному выводу конденсатора звена постоянного тока, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения состоит из диодного полумоста, состоящего из двух диодов, причем анод первого диода соединен с катодом второго диода и с входом выпрямителя напряжения, катод первого диода подключен к положительному выводу выпрямителя напряжения, а анод второго диода подключен к отрицательному выводу выпрямителя напряжения, второй вывод питающей сети подключен к второму выводу для подключения нагрузки.

7. Однофазный преобразователь частоты по п. 6, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения выполнен многофазным, а его питание осуществляется от многофазного источника переменного напряжения - многофазной питающей сети с нулевым выводом, многофазный выпрямитель напряжения выполнен с использованием диодных полумостов, количество которых равно количеству фаз питающей сети, каждый из диодных полумостов своим входом подключен к своему выводу фазы питающей сети, положительные выводы диодных полумостов соединены между собой, и отрицательные выводы диодных полумостов соединены между собой, а второй вывод для подключения нагрузки соединен с нулевым выводом питающей сети.

8. Однофазный преобразователь частоты по п. 6, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения выполнен активным на двух полностью управляемых полупроводниковых ключах-транзисторах, а именно каждому из диодов выпрямительного полумоста антипараллельно включен свой транзистор, а между первым выводом питающей сети и входом выпрямителя напряжения включен дроссель.

9. Однофазный преобразователь частоты по п. 6, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения выполнен многофазным активным на полностью управляемых полупроводниковых ключах, а именно каждому из диодов каждого диодного выпрямительного полумоста антипаралельно включен свой транзистор, количество входных фаз активного выпрямителя напряжения равно количеству фаз питающей сети, положительные выводы полумостов активного выпрямителя напряжения соединены между собой, и отрицательные выводы полумостов активного выпрямителя напряжения соединены между собой, а между каждым выводом фазы питающей сети и входами полумостов активного выпрямителя напряжения включены дроссели, а второй вывод для подключения нагрузки соединен с нулевым выводом питающей сети.

10. Однофазный преобразователь частоты по п. 6, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения выполнен с использованием двух тиристоров, причем анод первого тиристора соединен с катодом второго тиристора и с входом выпрямителя напряжения, катод первого тиристора соединен с положительным выводом выпрямителя напряжения, анод второго тиристора соединен с отрицательным выводом выпрямителя напряжения, а управляющие электроды подключены к системе управления.