Преобразователь частоты Советский патент 1985 года по МПК H02M5/27 

рез первый ФСУ, первый и второй входы третьего двухвходового логического элемента И связаны с выходами второго ФПН соответственно через второй ФСУ и непосредственно, выход этого логического элемента И подключен к первым входам третьего и четвертого логических элементов И непосредственно, а к вторым входам первых двух трехвходовых логических элементов И через первый логический элемент НЕ, выходы первого и второго компараторов подключены к третьим входам соответственно перво11

1

го и второго трехвходовых логически элементов И непосредственно и через второй и третий логические элементы НЕ к вторым входам третьего и четвертого трехвходовых логических элементов И, третьи входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго двухвходовых логических элементов И, выход ЗГ подключен к входу второго ФПН и к первым входам двух компараторов, вторые входы которых связаны с обкладками соответственно первого и второго запоминающих конденсаторо

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий узел фиксации и хранения уровней напряжения, включающий в себя два запоминающих конденсатора, первые обкладки которых связаны через первую пару ключевых элементов с первым входным выводом, и блок управления, связанный выходами с управляющими входами указанных ключевых элементов, отличающийс я тем, что, с целые расширения области применения за счет расширения мощностного диапазона и диапазона изменения характера нагрузки, он снабжен второй парой ключевых элементов, связывающих вторые об кладки запоминающих конденсаторов с вторым входньм выводом, мостовым инвертором, одна пмна питания которого подключена через два дополнительно введенных разрядных ключа переменного тока к первой и второй обкладкам соответственно первого и второго запоминающих конденсаторов, а другая - к объединенньм между собой первой и второй обкладкам соответственно второго и первого запоминающих конденсаторов, первый и второй ключевые элементы соответственно первой и,второй пары выполнены в виде встречно-параллельно соединенных возвратного и заряд(Л ного полностью управляемых вентильс ных элементов, второй и первый клю. чевые элементы соответственно второй и первой пары - и виде встречнопараллельно соединенных возвратного полностью управляемого и зарядного неуправляемого вентильных У1 элементов, а блок управления содеро жит два формирователя прямоугольного напряжения (ФПН), два фазосдвигающих узла (ФСУ), задающий генератор (ЗГ), два компаратора, три двухвходовых логических элемента И, четыре трехвходовых логических элемента И и три логических элемента НЕ, причем первые входы первых двух двухвходовых и двух трехвходовых логических элементов И подключены к выходам первого ФПН, вход которого связан с входом преобразователя, вторые входы этих же двухвходовых логических элементов подключены к выходу этого же ФПН че

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к бестрансформаторным преобразователям переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение дру- гой частоты.

Известен преобразователь содержащий источники питания, параллельно которым включены емкости, переключатель отводов, мостовой инвертор и схему управления; в качестве источников питания служат аккумуляторные батареи, выпрямитель, подключенный к сети переменного тока и т.д. ,3а счет переключателя отводов на его выходе формируется однополярное ступенчатое напряжение, которое затем мостовым инвертором преобразуется в переменное с улучшенньм гармоническим составом DJ.

Недостатком данного преобразователя является узкая область применения, обусловленная тем, что количесво ступеней выходного напряжения в практике ограничивается тремяпятью. Увеличение количества ступеней выходног,о напряжения приводит к усложнению первичного источника питания, увеличению количества ключевых элементов и стоимости вторичных источников питания. Кроме того, при выполнении источников питания различных уровней Напряжения по схеме: трансформатор-выпрямитель сглаживающий фильтр, нельзя получат вы сокое качество электрической энер гии в динамических режимах (при

сбросе или набросе нагрузки). Обусловлено это в основном инерционными свойствами сглаживающего фильтра.

Известен также преобразователь частоты, содержащий генератор импульсов управления, ключевой элемент и запоминающее устройство. Указанньй преобразователь частоты подключен к источнику синусоидального напряжения. При этом генератор импульсов 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 входе запоминающего устройства формируется ступенчатое напряжение, частота которого равна разности частот источника синусоидального напряжения и генератора импульсов управления 2 .

Недостатком указанного решения является узкая область применения: такие устройства могут успешно применяться только в схемах управления силовых устройств тфеобразовательной техники.

1

Известен преобразователь частоты содержащий блок предвар| тельной фиксации напряжения, включакиций последовательно соединенные ключевой элемент, запоминающую емкость и эмитторный повторитель, блок выборк и хранения напряжения, состоящий из зарядных ключевых элементов, запоминающих емкостей и эмитторных повторителей, соединенных по балансной схеме, и блок управления. На вход блока управления поступает переменное напряжение, сдвинутое в общем случае относительного входного синусоидального напряжения на регулируемый угол oi . На выходе блока управления формируются узкие импульсы управления в момент перехода входного напряжения через нуль и поочередно поступают на включение зарядных ключевых элементов и включение ключевого элемента блока предварительной фиксации напряжения. На блок предварительной фиксации напряжения поступает сумма синусоидального напряжения и постоянного напряжения смещения,т.е однополярное пульсирующее напряжение. Выходное напряжение, частота которого равна разности частот входного и спорного напряжений, снимается с эмитторных повторителей, соединенных по балансной схеме, и поступает на выходной преобразователь, на вь1ходе которого может формироваться ступенчатое напряжение f3) .

Недостатком такого преобразователя также является узкая область применения, так как он используется в блоках управления устройств преобразовательной техники и не может работать на мощные нагрузки с меняющимся коэффициентом мощности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цреобразователь частоты, содержащий два параллельных канала выборки и хранения входного напряжения,включающих два усилителя, зарядный ключевой элемент, выходной дифференциальн усилитель и формирователь импульсов выборки. Элементами аналоговой памяти являются усилители с конденсаторами в цени обратной связи, входящие в выборки и хранения входного напряжения. Формирователь импульсов выборки

07114

обеспечивает поочередную подачу ,на цепи управления зарядных ключевых элементов узких импульсов, под дей- . ствием которых они включаются, и 5 конденсаторы в цепях обратной связи усилителей заряжаются пропорционально мгновенному значению входного напряжения и хранят заряд до следующего момента выборки. На

O входы выходного дифференциального усилителя поступают напряжения от двух усилителей каналов выборки и хранения напряжения, а на выходе формируется переменное нагтряже5 ние ступенчатой формы 4 .

Однако известные устройства также имеют узкую область применения : они могут успешно, применяться только в схемах управления, так как

0 подключать к выходу нагрузку активно-индуктивного или активно-гемкостного характера принципиально невозможно.

Цель изобретения - расширение

5 области применения преобразователя путем обеспечения работы его на мощную нагрузку с любым коэффициентом мощности. I

Поставленная цель достигается

0 тем, что преобразователь частоты, содержавщй узел фиксации и хранения уровней напряжения, включающий в себя два запоминающих конденсатора, первые обкладки которых связаны

5 через первую пару ключевых элементов с первьм входным выводом, и блок управления, связаннь выходами с управляюпщми входами указанных ключевых элементов, снабжен второй парой ключевых элементов, связывающих вторые обкладки запоминакщих конденсаторов с вторым входным выводом, MOCTOBWf инвертором, одна шина питания которого подключена через два

5 дополнительно введенных разрядных ключа переменного тока к первой и второй обкладкам соответственно первого и второго запоминакиф х конденсаторов, а другая - к объеди0 ненньм между собой первой и второй обкладкам соответственно второго и первого запоминающих конденсаторов, причем первый и второй ключевые элементы соответственна первой и

5 второй пары выполпетл в виде встречно-параллельно соединенных возвратного и зарядного полностью управляемых вентильных элементов, второй и

первой ключевые элементы соответственно второй и первой пары - в виде встречно-параллельно соединенных возв1 атного полностью управляемого и зарядного неуправляемого вентильных элементов, а блок управления содержит два формирователя прямоугольного напряжения (ФПН), два фазосдвигающих узла (ФСУ), задающий генератор (ЗГ), два компаратора, три двухвходовых логических элемента И, четыре трёхвходовых логических элемента И и три логических элемента НЕ, причем первые входы первых двух двухвходовых и двух трёхвходовых логических элементов И подключены к выходам первого ФПН, вход которого связан с входом преобразователя, вторые входы этих же двухвходовых логических элементов подключены к выходу этого же ФПН через первый ФСУ, первый и второй входы третьего двухвходового логического элемента И связаны с выходами второго ФПН соответственно через второй ФСУ и непосредственно, выход этого логического элемента И подключен к первым входам третьего и четвертого логических элементов И непосредственно, а к вторым входам первых двух трёхвходовых логических элементов И через первый логический элемент НЕ, выходы первого и второго компараторов подключены к третьим входам соответственно первого и второго трёхвходовых логических элементов И непосредственно и через второй и третий логические элементы НЕ к вторым входам третьего и четвертого трёхвходовых логических элементов И третьи входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго двухвходовых логических элементов И, выход ЗГ подключен к входу второго ФШН и к первым входам двух компараторов, в-седые входы которых связаны с обкладками соответственно первого и второго запоминающих конденсаторов.

На фиг.1 представлена схема щ)еобразователя частоты на фиг.2 блок управления в развернутом ввде на фиг.З - диа. напряжений на отдельных элементах схемы.

Преобразователь частоты (фиг.1) содержит узел фиксации и хранения уровней напряжения, включакяций в

себя два запоминающих конденсатора 1 и 2, первые (верхние) обкладки которых связаны через первую пару 3 и 4 ключевых элементов с первым входным выводом 5, блок управления 6, связанный выходами с управляющими входами указанных ключевых элементов, вторую пару 7 и 8 ключевых элементов, связьшаюпщх вторые (нижние) обкладки запоминающих конденсаторов 1 и 2 с вторым входным вьшодом 9, мостовой инвертор на управляемых вентильных элементах 10-13, одна шина 14 питания которого подключена через два разрядных ключа переменного тока 15 и 16 к первой (верхней) и второй (нижней) обкладкам соответственно первого 1 и второго 2 запоминающих конденсаторов, а другая 17 - к объединенным мелду собой первой (верхней) и второй (нижней) обкладкам соответственно второго 2 и первого 1 запокшнающнх конденсатог ров, причем первый 3 и второй 8 ключевые элементы соответственно первой (3 и 4) и второй (7 и 8) пары вьшолнены в виде встречно-парал лельно соединенных возвратного 18 и 19 и зарядного 20 и 21 полностью управляемых вентильных элементов, второй 4 и первый 7 ключевые элементы соответственно второй (7 и 8) и первой (3 и 4) пары - в виде встречно-параллельно соединенных возвратного 22 и 23 полностью управляемого и зарядного 24 и 25 неуправляемого вентильных элементов. К выходным вьгоодам 26 и 27 подключена нагрузка 28.

Блок управления (фиг.2) содержит последовательно соединенные первь) формирова:тель прямоугольного напряжения (ФПН) 29, связанней с входными вьтодами 5 и 9, и первый фазосдвигаАщий узел (ФСУ) 30, два двухвходовых логических элемента И 31 и 32 подключенных соответственно к различным выходам ФПН 29 и ФСУ 30, последовательно соединенные второй ФПН 33 свяэанньй с генератором задающего напряжения (ЗГ) 34,второй ФСУ 35 и третий логический элемент И 36, связанный дополнительно с вторым ФПН 33 первый логический элемент НЕ 37, подключенный к выходу логического элемента И 36, амплитудные компараторы 38 и 39, связанные с различными запоминаюпщми конденсаторами 1и2иЗГ34, два трехвходовых логических элемента И 40 и А1, соединенных с логическим элементом НЕ 37, с соответствующими амплитудными компараторами 38 и 39 и с различными выходами первого ФПН 29, два трехвходовых логических элемента И 42 и 43, связанных с логическим элементом И 36, с соответствующими логическими элементами И 30 и 31 и логическими элементами НЕ 44 и 45.подключенными к соответствующим амплитудным компаратором 38 и 39.

На фиг.З представлено напряжение 46 на входных вьшодах, задающее напряжение 47 - на выходе ЗГ 34, напряжение 48 - на выходе первого ФПН 29, напряжения 49 и 50 - на выходах логических элементов И 31 и 32, напряжение 51 - на выходе второго ФПН 33, напряжение 52 - на выходе логического элемента И 36, , напряжение 53 - на выходных выводах 26 и 27 преобразователя.

Преобразователь частоты работает следующим образом.

При подаче напряжения сети на выходе первого ФПН 29 получается прямоугольное напряжение, фаза которого совпадает с фазой напряжения входной сети (46 и 48 на фиг.З). Полученные напряжения поступают в противофазе на цепи управления разрядных ключей переменного тока 15 и 16 (с двухсторонней проводимостью), чем достигается поочередное подключение запоминающих конденсаторов 1 и 2 к входу мостового инвертора на транзисторах 10-13. На выходе второго ФПН 33, на вход которого поступает задающее напряжение 47, формируется прямоугольное напряжение 51 выходной (задающей) частоты. Полученные нагфяжения 51 поступают в противофазе на цепи управления ключевых элементов 10-13 мостового инвертора. На входы амплитудных компараторов 38 и 39 поступает задающее напряжение 47 и напряжения и., и сг. Пропорциональные соответственно напряжениям на запоминающих конденсаторах 1 и 2. Если напряжение 47 больше напряжения U, поступающего, например, от конденсатора 1, то на выходе амплитудного компаратора 38 формируете

1 и разрешающее напряжение поступает на логический элемент И 40 для включения зарядного ключевого элемента (транзистора) 20, который 5 обеспечивает заряд конденсатора 1 до напряжения, соответствующего текущему значению амплитуды задающего напряжения 47.

Однако для выключения транзистора 20 на вход логического элемента И 40 необходимо подать 1 от первого ФПН 39 и от логического элемента НЕ 37. Сигналы от первого ФПН 29 обеспечивают подачу импуль5 сов управления только тогда, когда выключен ключевой элемент 15 (1 на логическую схему И поступает, когда на ключевой элемент 15 поступает О, т.е. запирающее напряжение в интервале времени (tg-t,...) Сигнал с логической схемы НЕ 37 поступает в интервалах времени 0-Т„/4, Т„/2-ЗТн/4, Т„:(Т„+Т„/4) где Tjj - период выходного напряжения и напряжения ЗГ. Выделение таких интервалов достигается за счет ФСУ 35 и логического элемента И 36. ФСУ 35 формирует на выходе прямоугольное напряжение, сдвинутое

0 относительно напряжения 51 формирователя 33 на 90 эл. град. Таким образом транзистор 20 включается (в интервале времени ) если формируется поднимающаяся часть выходного напряжения (tg-t ) и задающее напряжение 47 больше напряжения U((. до которого заряжен конденсатор Г, т.е. ко времени t конденсатор будет заряжен приблизительо но до напряжения, соответствующего времени t задающего напряжения i. С момента времени от t j до t j .на вход логического элемента И 40 поступает О от ФПН 29 и подается напряжение на включение ключевого элемента 15 и выключение ключевого элемента 16. В интервале времени подготавливается (подзаряжается) аналогичньо4 образом конденсатор 2,

O а нагрузка 28 получает энергию от конденсатора 1. При этом на поднимающейся части заданщей синусоиды 47 импульсы управления на транзисторы 18, 19, 23 и 22 не поступают,

5 а реактивная мощность нагрузки (активно-индуктивная нагрузка) сбрасывается поочередно через обрат ные диоды мостового инвертора и череэ обратные диоды мостового инвер тора и через два разрядных ключа переменного тока 25 и 16 в конденсаторы 1. и 2. При этом включение ключевых элементов 16 и 15 осуществляется соответственно в моменты to - 6 i времени Но так как ti, , 5 - напряжения запоминающих конденсаторов в эти моменты времени больше напряжения сети (больше нуля), то диоды, включенные последовательно с возвратньвда управляемыми вентильными элементами 21 и 20, заперты и запомйнаюпще конденсаторы начнут заряжаться только с момента времени когда мгновеиное значение напряжения сети сравняется с напряжением запоминаюа(их конденсаторов 2 и 1, Такое управление позволяет ограничять зарядньй ток запоминающих конденсаторов, величина которого определяется разностью напряжений между первичньв источником и конденсатором. В интервалах времени Тн/4-Ти/2 3T,J4 -Т, (Tjjj-Trt/4)-(T - -TH/2)./. выходное напряжение преобразователя должяо уменьшаться во- времени по амплигуде и поэтому энергия, запасенная в конденсаторах, сбрасьшается в первичШ)1й источник питания (входную сеть). Достигается это за счет возвратных управляемых вентильных элементов (транзисторов) 18, 23, 19 и 22, управляемых от логических элементов И 42 и их входы поступают напряжения 52 от логического элемента И 36, напряжения 49 и 50 от двух логических элементов И 31 и 32 и от логичесгшх элементов НЕ 44 и 45, подключенных к аш1литудным компараторам 38 и 39. На входы логических элементов И 31 и 32 поступают прямоугольные напряжения 48 с выхода ФПН 29 и накряжение, сдвинутое на 90 эл.град фазосдвигающей схемой 30 относительно напряжения 48. На вьтходах логичесгсих элементов НЕ 44 и 45 бу дут формироваться 1., когда задаю щее напряжение 47 меньше напряжеи U, на соответствующих НИИ и и Uj2 Таким образом конденсаторах 1 и 2. на {{испадающеЗ части выходного (задающего) напряжения включение транзисторов 18, 23, 19 я 22 проис ходит в момент максимума входного напряжения С;ети. В первоначальный момент времени диоды, включенные последовательно с возвратными транзисторами 18, 23, 19 и 22, выключены, но по мере снижения амплитуды напряжения сети диоды вкл-ючаются и энергия, запасенная в конденсаторах .поочередно начинает сбрасьюаться в первичную сеть. После достижения напряжений U, и Uc2 на запоминающих конденсаторах величины, соответствующей задающему напряжению 47 на выходе логических элементов НЕ 44 и 45, появляется О, токопроводящие транзисторы 18, 23 и 19, 22 вьшлючаются и прекращается разряд емкости 1 или 2 в первичную сеть. Подготовленный таким образом запоминающий конденсатор в последующий интервал времени подключается к нагрузке 28. Включение транзисторов 18, 23, 19, 22 в момент максимума входного напряжения позволяет ограничить ток разряда конденсатора через первичную сеть. В качестве задающего напряжения 47 может применяться напряжение любой формы (трапеция, прямоугольник). I Величина емкости конденсаторов расчитьшается из условия изменения напряжения на них при максимально возможной нагрузке. Поэтому при набросе нагрузки в рассматриваемом преобразователе будет наблюдаться меньшая зависимость мгновенного напряжения (провал выходного напряжения) по сравнению с традиционными преобразователями, работающими с отрицательными обратными связями. Если при сбросе нагрузки в традиционных преобразователях наблюдается увеличение мгновенного значения напряжения, то в предлагаемом преобразователе этого не будет, так как сброс нагрузки с конденсатора не приводит к увеличению напряжения на нем. Кроме того, построение преобразователей исключает проблему устойчивости замкнутых систем. Таким образом, предлагаемьй преобразователь частоты в отличие от прототипа имеет более широкую область применения за счет работы на мощную нагрузку с любым коэффициентом мощности, что позволит применять его для питания мощных нагрузок. П Предлагаемый преобразователь частоты характеризуется кроме того, высоким качеством электрическо энергии в статическиз{ и динамических режимах и для него применима интегральная технология изготовлесет

и

/

Л.../5

ami

от 2

20.21 №.19.22.2Ъ

Фиг.1 - /о1 ь -Kh 150711 ния за счет отсутствия в схеме моточник изделий (согласующих трансформаторов и дросселей ) , что позволит сократить массу 5 и габариты систем электропитания.

2021

OfTff OfTjZ

Фиг. г

iS H2it5ifff

in3Qi7i10il}i№ite

Ч 50

tiiiJLO jui JLfl пняивяявидяйвшашввйшаян

рдодйлпнеаваанивияападаадявойпйвдвивпп J.

5t

и Msts m т H7

5

iIv