Преобразователь частоты Советский патент 1984 года по МПК H02M5/27 

могательные конъюнкторы, подключенные входами к пересчетным схемам и реле времени, а выходами -к цепям управления вспомогательных и обратных ключевых элементов, первЕ 1й и второй конъюнкторы, соединенные входами с реле времени и делителем частоты, а ВЫХОДШ4Н - с цепями управления разрядных ключевых элементов, генератор опорного напряжения, модуляторы подключенные соответственно к запоминающим конденсаторам, амплитудные компараторы, соединенные со своим модулятором и генератором опорного напряженшР, третий и четвертый конъюнкторы, подключенные входами к

делителю частоты, амплитудным компаратором, блоку ограничения угла и реле времени, а выходами - к зарядным ключевым элементам, инвертор, соединеннь1й с реле времени, дополнительные конъюнктоЩ), входы которых подключены к,инвертору, формирователю прямоугольного напряжения и амплитудным компаратором, а вьосоды - к цепям управления зарядных ключевых элементов, при этом цепи управления ключевых элементов мостового инвертора подключены к формирователю управдякицего напряжения, cвязaннo fy с -второй пересчетной схемой.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий схему управления и два параллельных канала выборки и хранения напряжения, кажф1й из которых включает последовательно соединенные зарядный ключевой элемент, цепи управления которого подключены к схеме управления, и запоминаю1ций конденсатор, отличающийся тем, что, с целью расширения области пpи feнeния путем обеспечения возможности работы на мощную нагрузку с любым коэффициентом мопщости, в него дополнительно введены выпрямитель положительный выходной вьшод которого соединен с первыми силовыми электродами зарядных ключевых элементов, мостовой инвертор, а в каждый указанный канал - разрядный ключевой элемент с двусторонней проводимостью и п конденсаторов, соединенных последовательно между собой и с зарядным конденсатором через диоды, зашунтированные обратными ключевыми элементами, и соответственно с отрицательньм выходньн выводом выпрямителя и первьм силовым электродом разрядного ключевого элемента через вспомогательные ключевые элементы с двусторонней проводимостью, причем первый силовой электрод разрядного ключевого элемента, и второй силовой электрод зарядного ключевого элемента каждого канала соединен , между собой, вторые силовые электроды разрядных ключевых элементов объединены и подключены к первому входному вьтоду мостового инвертора, отрицательный выходной вывод вьшрямителя соединен с вторым входным выводом мостового инвертора, а цепи управления разрядных ключевых элементов и к;вочевых элементов мостового инвертора связаны со схемой управления. 2. П1)еобразователь. по п. 1, о тли чающийся тем, что схема управления содержит формирователь прямоугольного напряжения, реле времени и умножитель частоты, подключенные к входным выводам преобразователя, две пересчетные схемы, делитель частоты и блок ограничения угла, подключенные.к умножителю частоты, вспо

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к бестрансформаторным преобразователям пе1)еменногр напряжения одной частоты в переменное н:апряжение другой час- 5|

тоты.

Известен преобразователь частоты, содержащий силовой трансформатор, непосредственный преобразователь частоты и схему управления. Силовой Ю трансформатор обеспечивает согласование амплитуд входного и выходного напряжений, непосредственный преобразователь частоты - преобразование напряжения одной частоты в напряже- 15 кие другой частоты, а схема управления - формирование и подачу на ключевые элементы необходимых импульсов управления С12«

Недостатком данного преобразова- 20 теля являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью получения частоты выходного напряжения во много раз больше частоты входного напряжения.

Известен также преобразователь частоты, содержащий генератор импульсов управления, ключевой элемент и запоминающее устройство.. Ука- ЭО занный преобразователь частоты подключен к источнику синусоидального напряжения, при этом генератор им- : пульсов управления формирует однополярные узкие импульсы, частота которых отличается от частоты синусоидального напряжения на величину выходной частоты рассматриваемого устройства. Цепи управления ключевого элемента соединены с генератором импульсов управления, что обеспечивает кратковременное подключение запоминающего устройства, выполняемого обычно на конденсаторе, к источнику синусоидального напряжения (сети переменного тока). На выходе запоминающего устройства формируется ступенчатое напряжение, частота которого равна разности частот источника синусоидального напряжения и генера гора 1 1пулЬсов управления С 2 5.

Недостатком данного рещения являются ограниченные функциональные возможности (устройства могут успешно применяться только в схемах управления силовых устройств преобразовательной техники).

Известен преобразователь частоты, содержащий блок предварительной фиксации, включающий последовательно соединенные ключевой элемент, запо минающую ёмкость и эмиттерный повторитель, блок выборки и хранения. Последний содержит зарядные ключевые элементы, запоминакщие емкости и эмиттерные повторители,, соединенные по балансной схеме, и блок управления. На вход блока управления поступает переменное напряжение (опорное) сдвинутое в общем случае относительно входного синусоидального напряжения на регулируемый угол с-. На выходе блока управления формируются узкие импульсы управления в момент перехода входного напряжения черед нуль и поочередно поступают на включение зарядных ключевых элементов и выключение ключевого элемента бяока предварительной фиксации. На блок предварительной фиксации поступает сумма синусоида{;ьного напряжения и постоянного напряжения смещения, т.е. однополярное пульсирующее напряжение. Выходное напряжение, частота которого равна разности частот входного и опорного напряжений, сни мается с эмиттерных повторителей, соединенных по балансной схеме, и поступает на входной преобразовател на выходе которого может формироват ся ступенчатое напряжение t31. Недостаток данного решения также ограниченные функциональные возможности, так ка.к оно используется в блоках управления устройств преобра зовательной техники и не может работать на мощные нагрузки с меняющимся коэффициентбм мощности. Наиболее близким К изобретению по технической сущности является преобразователь частоты, содержащий два параллельных канала выборки и хранения входного сигнала, включающих два усилителя, з ирядный ключевой, элемент, выходной дифференциальный усилитель, и формирователь импульсов выборки. Элементами анало говой памяти являются усилители с конденсаторами в цепи обратной связи, входящие в каналы выборки и хра нения входного сигнала. Формирователь импульсов выборки обеспечивает поочередную подачу на цепи управления зарядных ключевых элементов узких импульсов, под действием которы они включаются и конденсаторы в цепях обратной связи усилителей заряжаются пропорционально мгновенному значению входного напряжения и хранят заряд до следующего момента выборки . На входы выходного дифференциального усилителя поступают напряжения от двух усилителей каналов выборки и хранения, а на выходе фор мируется переменное напряжение сту пенчатой формы С4 3. Однако такие устройства могут успешно применяться только в схемах управления, так как подключать к выходу нагрузку активно-индуктивного или активно-емкостного характера принципиально невозможно. Целью изобретения является расширение области применения преобразователя путем обеспечения возможности его работы на мощную нагрузку с любым коэффициентом мощности. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь частоты, содержащий схему управления и два параллельных канала выборки и хранения напряжения, каждый из которых включает последовательно соединенные зарядный ключевой элемент, цепи управления которого подключены к схеме управления, и запоминакщий конденсатор, дополнительно введены выпрямитель, положительный выходной вывод которого соединен с первыми силовьми электродами зарядных ключевых элементов, мостовой инвертор, а в каждый указанный канал - разрядный ключевой элемент с двусторонней проводимостью и г конденсаторов, соединенных последовательно между собой и с заряднЕА4 конденсатором через диода, зашунтированные обратными ключевыми элементами, и соответственно с отрицательным выходным выводом выпрямителя и первым силовым электродом разрядного ключевого элемента через вспомогательные ключевые элементы с двусторонней проводимостыр причем первый силовой электрод разрядного ключевого элемента и второй силовой электрод зарядного ключевого элемента каждого . канала соединены между собой, вторые силовые электроды разрядных ключевых элементов объединены и подключены к первому входному выводу мбстового инвертора, отрицательный выходной вывод выпрямителя соединен с вторым входйым выводом мостового инвертора, а цепи управления разрядных ключевых элементов и ключевых элементов мостового инвертора связаны со схемой управления. Кроме того, схема управления содержит формирователь прямоугольного напряжения, реле времени и умножитель частоты, подключенные к входным вь1водам преобразователя, две пересчетные схемы, делитель частоты и блок ограничения угла, подключенные к умножителю частоты, вспомогательные конъюнкторы, подключенные входами к пересчетным схемам и реле времени, а выходами - к цепям управления вспомогательных и обратных ключевых элементов, первый и второй конъюнкторы, соединенные входами с реле времени и делителем частоты, а выходами - с цепями управления разрядньрс ключевых элементов, генератор опорного напряжения, модуляторы, подключенные соответственно к запоминающим конденсаторам, амплитудные компараторы, соединенные со своим модулятором и генератором опорного напряжения, третий и четвертый конъюнкторы, подключенные вх дами к делителю частоты, амплитудным компараторам, блоку ограничения угла и реле времени, а выходами к зарядным ключевым элементам, инвертор, соединенный с реле времени, дополнительные конъюнкторы, входы которых подключены к инвертору, формирователю прямбугольного напряжения и амплитудным компараторам, а выходы - к цепям управления зарядных ключевых элементов, при этом цепи управления ключевых элементов мостового инвертора подключены к формирователю управляющего напряжения, связанному с второй пересчетной схемой. На фиг. 1 представлена схема пре образователя частоты;на фиг. 2 и 3 диаграммы напряжений на отдепьньпс Элементах схемы-, на фиг. 4 - схема управления. Преобразователь частоты содержит схему управления 1 и два параллельных канала выборки и хранения, кажд из которых включает последовательно соединенные зарядный ключевой элемент 2.1(2.2), цепи управления которого подключены к схеме управления 1, и запоминающий конденсатор 3.1(3.2), выпрямитель 4, положитель ный выходной вьтод 5 которого соединен с первыми силовыми электродами 6.1 и 6.2 зарядных ключевых элементов 2.1 и 2.2, мостовой инвертор на ключевых элементах 7... 10 и обратных диодах 11...14 и в каждом указанном канале разрядный ключевой элемент 15.1(15.2) с двухсторонней проводимостью,п конденсаторов 16.1...23.1(16.2...23,2...), соединённых последовательно между собой и зарядным конденсатором 3.1.(3.2) через диоды 24.1.. .31.1..... (24.2... 31.2...), защунтированные обратными ключевыми элементами 32.1...39.1... (32.2...39.2) и соответственно с первыми силовыми электродами 40.1 (40.2) разрядного ключевого элемента 15.1(15.2) и отрицательным выходным выводом 41 вьшрямителя 4 через вспомогательные ключieвыe элементы с двухсторонней проводимостью, например , на тиристорах 42.1... 73.1... (42.2...73.2...), при этом первый силовой электрод 40.1(40.2) разрядного ключевого элемента 15.1(15.2) и второй силовой электрод 74.1(74.2) зарядного ключевого элемента 2.1 (2.2) каждого канала соединены между собой, вторые силовые электроды 75.1 и 75.-2 разр ядных ключевых .элементов 15.1 и 15.2 объединены и подключены к первому входному выводу 76 мостового инвертора, отрицательный выходной вывод 41 выпрямителя 4 соединен с вторьм входным выводом 77 мостового инвертора, а цепи управления разрядных ключевых элементов 15.1 и 15.2 и ключевых элементов 7...10 мостового инвертора связаны со схемой управления 1. На выходе преобразователя частоты подключена нагрузка 78. На фиг. 2 и 3 представлено напряжение 79 на выходе выпрямителя 4, выходное напряжение 80 мостового инвертора, напряжение 81, поступающее в противофазе на цепи управления разрядных ключевых элементов 15.1 и 15.2, импульсы управления 82...121, поступающие соответственно на тиристоры (или транзисторы) 42.1, 43.1, 32.1, 58.1, 59.1, 44.1, 45.1, 33.1,60.1,61.1, 46.1, 47.1, 34.1, 62.1,63.1,48.1, 49.1, 35.1, 64.1,- 65.1,50.1,51.1, 36.1, 66.1, 67.1, 52.1,53.1,37.1, 68.1,69.1, 54.1, 44.1,38.1,70.1, 71.1.56.1,57.1, 39.1, 72.1, 73.1, выходное напряжение 122 мостового инвертора, импульсы управления 123162, поступающие соответственно на тиристоры (или транзисторы) 42.2, 43.2,32.2, 58.2, 59.2, 44.2, 45.2, 33.2, 60.2, 61.2, 46.2, 47.2, 34.2, 62.2.63.2,48.2, 49.2, 35.2, 64.2, 65.2, 50.2, 51.2, 36.2, 66.2, 67.2, 2.2, 53.2, 37.2, 68.2, 69.2, 54.2, 55.2,38.2, 70.2, 71.2, 56.2, 57.2, 39.2, 72.2, 73.2. Схема управления (фиг. 4) содержит формирователь прямоугольного напряжения 163, реле времени 164 и умножитель частоты 165,подключенные к входным выводам преобразователя, две пересчетные схемы 166 и 167, делитель частоты 168 и блок ограничения угла 169, подключенные к умножителю частоты 165, вспомогательные конъюнкторы (логические элементы совпадения И) (170.1.. .170.п,171.1.. 17,1,п, подключенные входами к пересчетным схемам 166, 167 и реле времени 164, а выходами - к цепям управления вспомогательных 42.1,42.2,. 73.1, 73.2,... и обратных 32.1, 32.2,... 39.1, 39.2... ключевых элементов, первый 172 и второй 173 конъ юнкторы, соеди1 нные входами с реле времени 164 и делителем частоты 168, а выходами - с цепями управления раз рядных ключевых элементов 15.1, 15.2 генератор опорного напряжения 174, модуляторы 175, 176, подключенные соответственно к запоминающим конден саторам 3.1 , 3.2, амплитудные компараторы 177 и 178, соединенные со сво им модулятором и генератором опорного напряжения 174, третий 179 и чет вертый 180 конъюнкторы, подключенные входами к делителю частоты 168, амплитудным компараторам 177, 178, бло ком ограничения угла 169 и реле вре мени 164,. а выходами - к зарядным клточевым элементам 2.1, 2.2, инвертор (схема НЕ) 181, соединенный с ре fte времени 164, дополнительные конъ юнкторы 182 и 183, входы которых под ключены к инвертору 181, формирователю прямоугольного напряжения 163 и амплитудным компараторам 177 и 178 а вькоды - к цепям управления зарЯДных ключввьгх элементов 2.1, 2.2, при этом цепи управления, ключевых элементов 7-10 мостового инвертора подключены к формирователю управляющего напряжения 184, Преобразователь частоты работает следующим образом. При включении преобразователя выпрямитель 4 обеспечивает на выходе напряжения 79. Так как конденсаторы 3.1, 16.1,...23.1, 3.2, 16.2...23.2 разряжены, то схема управления(фиг.4 за счет реле времени 164 инвертора (81, формирователя прямоугольного напряжения 163, конъюнкторов 182 и обеспечивают плавный заряд указанных ем1 остей. Реле времени 164 обеспечивает на вь1ходе нуль в течение нескольких полупериодов входного напряжения, чем обеспечивается снятие единицы со всех конъюнкторов (170.1...170.п, 171.1...171.n, 172, 173, 179, 180), обеспечивающих управление всеми ключевыми элементами силовой части схемы. Инвертор 181формирует при. этом на выходе единицу и подает на конъюнкторы 182и 183. Формирователь прямоугольного напряжения 163 формирует прямоугольные импульсы, связанные по фазе с напряжением первичной сети, и подает их на конъюнкторы 182 и 183 в соответствующие полупериоды единицу в момент перехода напряжения сети через нуль. Таким образом, при включении преобразователя управление на зарядные ключевые элементы 2.1, 2.2 начинает поступать в момент перехода питающего напряжения (сети) через нуль. .В это время е п;иницы поступают с выходов амплитудных компараторов 177 и 178, так как напряжение на конденсаторах 3.1 и 3.2 меньше UQ . По мере повышения напряжения на последовательно соединенных конденсаторах повьшается напряжений на выходе модуляторов 175, 176. Опорное напряжение ) на выходе генера-. тора 174 определяет величину напряжения, до которого зарядится каждый конденсатор 3.1, 16.1..., 3.2,16.2... На один вход амплитудного компаратора (177,178) поступает опорное напряжение, а на другие входы - выходные напряжения модуляторов (175, 176), пропорциональные напряжению на конденсаторах 3.1 и 3.2 различных каналов. При равенстве опорного напряжения УОП и напряжения на выходе модулятора 175, 176 на выходе соответствующего амплитудного компаратора 177 или 178 формируется нуль, что приводит к выключению соответствующего зарядного ключевого элемента 2.1, 2.2. После подготовитель.ного цикла реле времени 164 формиру ет на выходе единицу (следовательно на выходе инвертора 18t - нуль) и разрешает подачу сигналов управления на все ключевые элементы. При подаче напряжения умножитель частоты 165 обеспечивает формирование узких однополярных импульсов частотой К Полученные сигналы поступают на пер.вую пересчетную схему 166, формиру ющую на выходе импульсы управления

ключевыми элементами 44.1, 60.1,

и 44.2, 60.2, 48.2, 64.2, 52.2, 68.2

165 формирует однополярные импульсы, то делитель частоты 168 обеспечивает уменьшение в 2 раза частоты и формирует на выходе прямоугольное напря ение частотой . Выходные сигналы делителя частоты 168 поступают на конъюнкторы 172 и 173, которые обеспечивают коммутацию.разрядных ключевых элементов 15.1, 15.2 в противофазе. На конъюнкторы 179 и-180, от которых осуществляется управление зарядными ключевыми элементами 2.1, 2.2, поступают сигналы от реле вре-i мени 164, делителя частоты 168, ам- плитудных кймпараторов 177 и 178 и блока ограничения угла 169. Блок ограничения угла предназначен для исключения единовременного включенного Состояния ключевых элементов 2.1 2.2 и 15,1, 15.2, что исключит режим кратковременного подключения нагрузки 78 -к напряжению 79 выпрямителя 4.

.Схема управления работает следующим образом. Выпрямленное напряже-.-ние, представленное на 79 (фиг. 2), в теч(ение времени изменяется. Поэтому в интервале времени (максимальная амплитуда равнаО втп

0,81U,-) импул1 с управления 156 от конъюнкторов 170.1... 170.п поступает на ключевой элемент 70.2 и к выпрямителю через ключевой Элемент 2.2 подключается семь последовательно

соединенных Конденсаторов 3.2,

16,2...21.2. В это же время конденсаторы 3. 1 , 16. 1 ... 23,1 первого канала (условно принято, что кажда й

конденсатор заряжается до 0,1 U, )

-

5 подключены к нагрузке 78 параллельно через разрядный ключевой элемент 15.1. Достигается это за счет подачи в интервал времени , импульсов управления (фиг. 2) 82, 87, 85,

0 88, 90,..-93, 95...98, 100...103,

импульсов управления 123, 124,126,,, 129, 131..,134, 136..,139, 141,,, 144, 146.,., 149, 151,,,154,156,., 159, 161, 162 на ключевые элементы 42,2,

,67,2, 52.2, 53,2, 68,2, 69,2, 54.2, :55,2,70.2, 7С2, 56,2, 57.2. В ука- , занный интервал времени первая ячейка подключается к выпрямителю 4 (максимальная величина напряжения равн&Щ,„) и включены последовательно все девять когдеисаторов 3,1, .., 16.и и т,д. Независимо от величины . выходного напряжения выпрямителя 4 каждый конденсатор каналов заряжается до 0,1U-,, Достигается это тем. It10 что при достижений, напряжения на конденсаторах, например 3,1 и 3.2, величины О,1U на выходе соответimствующего амплитудного компаратора 177, 178формируется нуль, чтд приводит к снятию импульсов управл ения ;с зарядных ключевых элементов 2.1, 2.2 и т.д. На фиг.2 и фиг. 3 зачерненные импульсы управления формируются первой 166 пересчетной схемой и подаются через конъюнкторы 170.1... 170.0 на ключевые элементы согласно фиг.4 в моменты заряда конденсаторов 3.1 16.1...23.1...} 3.2, 16.2... 23.2... от выпрямителя 4. Остальные импульсы управления формируются второй 167 пересчетной схемой и подаются через конъюнкторы 171.1... 171 .п -на ключевые элементы согласно.фиг. 4 в момен ты ззременн, когда указанные конденсаторы 3.1 16.1..., 3.2, 16.2... подключены к нагрузке 78. Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты выгодно отличается от прототипа более широкой областью применения за счет возможности обеспечения работы на любую нагрузку. На данной структуре преобразователи возможно получать на выходе напряжения любой формы и амплитуды. Так, например, при получении постоянного напряжения осуществляют подключенные к нагрузке к режиме разряда одинаковое количество конденсаторов (включены 7,10). Изменение амплитуды постоянного напряжения можно осуществлять за счет изменения количества последовательно соединенных кqндeнcaтopoв в режиме разряда. Если необходимо получить постоянное напряжение другой полярности, то вклочают ключевые элементы 8 и 9. Аналогичным образом, формируют на выходе и переменные напряжения любой формы (трапецеидальной, прямоугольной с нулевой паузой и т.д.).

rw

-I

L

-пТг%-I rgт

- I f I J Llq1ФЛ

L%.

-1 r§

r

.

i

1Ж

П ft-1

Wg Ms

J

L

NJ.i

frr-uf . r

45

HMc MS

j m.jm.j

rt-lTr - &Г riT Т

:C-J|Lg -J

I

СЧ

.fYYfmYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYW

5 w

оопкишшпшшшшшпшшпшшппвшиишипшвииА

inUUnXQIL

Bifflimnnnn

w

пепшншшшшшиишкшиоошшяшошшшшп

30 imntrifmn

31 innnnmnnn

32 mm m

nnnn

IBUL

onnffli пппппппппппппппшпвтгтвпяппптминап

5Л11ШПП ПЯП

дашгш

шп

77ППШ1ШЮП ипж и

Щпптшшпп пюмп

пшинмшюгошппшютивппшмшиш

пяв

ЗДдшдципа inmnn .1

Щ

оошиж шшш

Ш|пппп

Шппппп

ппппппппппппя папптпяппвппмяяпотнтигмпт

iF

Ши1ппп

m

nnmnrnmir.

Mnnnnnnnn

ютя i ii li и i

oanuL

Ш.

trfl

т

M.

me

immnii iairmi иипяним n a

Ш

Hfffll ПНУЯ

J. t

II J.

JL i

JL t.

-1 1

jL

JL t

палйймппп

ппвпввплк

и 2.2

15,1,15.2 LI. 2.2

игЛ