Преобразователь частоты Советский патент 1985 года по МПК H02M7/539 

1 . Изрбретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты или преобразователям постоянного напряжения в-переменное Известен преобразователь, содержащий источник постоянного тока с несколькими промежуточными отводами переключатель отводов, выполненньй на базе мостовых инверторов, и схему управления. Указанный источник постоянного тока -представляет в общем случае выпрямитель или конверто с несколькими уровнями напряжения, подключенный к сети переменного или постоянного тока. За счет переключений промежуточных отводов перек.лючателем отводов на выходных выводах формируется ступенчатое напря жение. Необходимую последовательность коммутации ключевых элементов коммутатора обеспечивает схема управления, которая в общем случае со стоит из задающего генератора кольдевой пересчетной схемы -и усилителей мощности с развязываюпщми трансформаторами. Вторичные обмотки раз вязывающих трансформаторов связаны с цепями управления транзисторов переключателя отводов LJ Недостатками данного устройства являются низкая надежность и коэффициент полезного действия обусловленные отсутствием цепей, исключающих протекание сквозных токов в транзисторах переключателя отводов особенно при широком диапазоне регу лирования амплитуды выходного напряжения. Применение известных средств, используемых для исключения сквозных токов в инверторах затруднено из-за сложных законов управления ключевыми элементами пе реключателя отводов. Известен также преобразователь содержащий источник постоянного тока с несколькими промежуточными отводами, прямой и обратный перек лючатель отводов, мостовой переключатель и схему управления. Указанны источник постоянного тока представляет в общем виде выпрямитель или конвертор с несколькими выходными уровнями напряжения, подключенный к сети переменного или постоянного то iKa. На выходе прямого переключателя отводов формируется однополяр45ное ступенчатое напряжение, которое затем мостовым-переключателем преобразуется в переменное напряжение. Обратный переключатель отводов обеспечивает возврат реактивной мощности нагрузки в конденсаторы, включенные на выходе источника постоянного тока. Необходимую последовательность коммутации ключевых элементов коммутаторов и мостового переключателя обеспечивает схема управления, которая состоит из задающего генератора,, кольцевой пересчетной схемы и усилителей мощности с развязывающими трансформаторами. Вторичные обмотки развязывающих трансформаторов связаны С цепями управления транзисторов переключателей отводов и мостового переключателя 2 . Недостатками этого устройства являются низкая надежность и низкий КПД, обусловленные отсутствием цепей, исключающих протекание сквозных токов в транзисторах прямого и обратного переключателей отводов. Применение известных способов, используемых для исключения сквозных токов в инверторах,затруднено из-за сложных законов управления ключевыми элементами переключателей отводов . Наиболее близким к изобретению является преобразователь, содержапщй источник постоянного тока с несколькими промежуточными отводами, транзисторный переключатель отводов с двз хсторонней проводимостью, мостовой переключатель и схему управления с развязывающими трансформаторами, которая в общем случае содержит задающий генератор, кольцевую пересчетнзоо схему с выходными развязывающими трансформаторами, соответствующие вторичные обмотки которых соединены последовательно и через базовые резисторы подключены к переходам база эмиттер силовых транзисторов переключа еля отводов и мостового переключателя. При формировании напряжения с шестью одинаковыми тактовыми интервалами необходимо иметь кольцевую пересчетную схему на шесть выходов с шестью усилителями мощности sj Однако управление допЪлнительными транзисторами, введенными для созданияцепей возврата реактив3ной мощности нагрузки и конденсатора источника постоянного тока, осуществляется без учета режима(инверторногр или выпрямительного) работы преобразователя. Если при работе на нагрузку с cos ffu-O включение и выключение указанных допол.Нительных силовых транзисторов происходит с коллекторным током, то при cos (,0 эти транзисторы долж ны включаться без коллекторного ток Выключение силового транзистора без коллекторного тока приводит к увели чению времени выключения и искажению формы выходного напряжения. Поэтому в качестве ключевых элементов с двухсторонней проводимостью приме няют выпрямительные мосты, в диагональ которых включен транзистор, обеспечивающий протекание через него ток-а в обоих направлениях. Основным недостатком данного решения является то, что в схеме переключателя отводов не предусмотрено мер по устранению сквозных токов. Целью изобретения является повышение надежности и коэффициента полезного действия путем исключения сквозных токов в переключателе отводов, выполненном на базе выпрямительных- -мостов, 6 диагонали которых включены транзисторы. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь частоты со ступенчатой формой выходного напряжения, содержащий источник пос тоянного тока с несколькими промежуточными отводами, транзисторный п реключатель отводов с двухсторонней проводимостью, мостовой переключатель и схему управления с развязывающими трансформаторами, соответствующие основные вторичные обмотки которых соединены последовательно и через базовые резисторы подключены к переходам база-эмиттер силовых транзисторов переключателя отводов и мостового переключателя, дополнительно введены вспомогательные тра сформаторы и диоды, отсекающие диоды, аноды которых Соединены с базами силовых транзисторов переключателя отводов, на развязывающих тран сформаторах расположены дополнитель ные вторичные обмотки, одни из кото рых подключены к точкам соединения основных-вторичных обмоток раэвязы454ваю1цих трансформаторов и катодам первых отсекающих диодов, а другие через соответствующие вспомогательные диоды и первичные обмотки вспомогательных трансформаторов к переходам коллектор-эмиттер силовых транзисторов переключателя- отводов, при этом вторичные обмотки вспомогательных трансформаторов через вторые отсекающие диоды соединены с переходами база-эмиттер соответствующих силовых транзисторов переключателя отводов. На фиг. 1 представлена общая схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - соединение цепей управления силовых транзисторов переключателя отводов с обмотками развязывающих и вспомогательных трансформаторов; на фиг. 3 - диаграммы напряжений на отдельных элементах преобразователя . Преобразователь частоты (фиг.|) содержит источТ1ик постоянного тока 1 с несколькими промежуточными отводами -2-5, подключенный к сети переменного (или постоянного тока, переключатель отвода 6, выполненный на транзисторах 7-9 и диодах 10-21, мостовой переключатель 22 на транзисторах 23-26 и диодах 27-30, управления 31 с развязывающими трансформаторами (первым, вторым и третьим) 32-34, включающую задающий генератор 35, кольцевую пересчетную схему 36, соединенную с задающим генератором 35, и три усилителя мощности 37, 38 и 39, вход первого из .которых соединен с кольцевой пересчетной схемой через делитель частоты 40. На выходе преобразователя частоты включена нагрузка 41 , Основные вторичные обмотки 42-45, 46-49 ф11Г.2| развязывающих трансфррматоров 33, 34 соединены соответственно последовательно и через базовые резисторы 50-52 с формируюашми конденсаторами 53-55 подключены к переходам база-эмитте1 транзисторов 7-9. Дополнительно введены вспомогательные трансформаторы 56,57 и диоды 58-61, отсекающие диоды 62-69, аноды которых соединены с базами транзисторов, выпрямительные диоды 70i 71 дополнительные вторичные обмотки 72-81 на развязывающих трансформаторах 33, 34, од ни из которых (72, 74,77,78) подключены к точкам соединения 82-85 вторичных обмоток 42 46; 43, 47; 44, 48; 45,49 развязывающих трансформаторов 33, 34 и к катодам отсекающих диодов 62,64,66, 68, а обмотки 73,75,76-, 79,80,81 через соответствующие вспомогательные диоды 58,59,60,61 и первичные обмотки 86-89 вспомогательных транзисторов - к коллекторам и эмиттерам силовых транзисторов 7-9. При этом вторичные обмотки 90-93 вспомо гательных трансформаторов 56, 57 через отсекающие диоды 63-,65,67,69 соединены с переходами база-эмиттер сс(ответствующих силовых транзисторов 7-9. На фиг. 3 представлено напряжени 94 на выходе задающего генератора 35, напряжения 96,95,97, формируемые на выходах кольцевой пересчетной схемь 36 и подаваемые соответственно на делитель частоты 40 и ус лители мощности 38,39, напряжение 98 на выходе делителя частоты 40, напряжение 99, подаваемое на выпрямительные диоды 70,71, напряжение 00, подаваемое на отсекающие диоды 64,66, напряжение 10.1 , подаваемое на .переход база-эмиттер силового транзистора 8, напряжение 102, подаваемое на переход база-эмиттер си лового транзистора 9, напряжение 10 подаваемое на переход база-эмиттер силового транзистора 7, напряжения 104,105, формируемью соответственно на обмотках вспомогательных трансформаторов 56, 57, напряжение 106, формируемое на выходе мостового переключателя 22. Предлагаемый преобразователь час тоты работает следующим образом. Переменное напряжение U поступает на вход источника постоянного тока 1, который обеспечивает вьшрям ление переменного.напряжения, преобразование и регулирование полученного постоянного напряжения в пе ременное повышенной частоты и получение нескольких регулируемых уровней постоянного напряжения l.,,V ..., амплитуды которых равны амплитудам ступеней выходного напряжения мостового переключателя. Управление силовыми элементами источника постоянного тока осуществляется от схемы управления, конструктивно вхо дящей в рассматриваемый источник.На выходе переключателя отводов 6 формируется однополярное ступенчатое напряжение, которое затем мостовым переключателем 22 преобразуется в переменное напряжение 106. Управление ключевыми элементами 7-9 и 23-26 переключателя отводов 6 и мостового переключателя 22 осуществляется от схемы управления 31. Задающий генератор 35 формирует прямоугольное напряжение 94, которое поступает на вход кольцевой пересчетной схемы. На выходах кольцевой пересчетной схемы формируется трехфазная система прямоугольных напряжений 95-97. Фазовый сдвиг между этими напряжениями 60 эл..град. Напряжение 95 поступает через делитель частоты 40 на цепи управления первого усилителя мощности 37, на выходе которого и на обмотках развязывающего трансформатора 32) формируется напряжение 98. Это напряжение с вторичных обмоток (на фиг.1 не показаны развязывающего трансформатора 32 поступает на цепи управления транзисторов 23-26 мостового переключателя, куда могут быть дополнительно введены цепи для исключения сквозных токов. Напряжения 96, 97 от кольцевой пересчетной схемы поступают на цепи управления усилителей мощности 38, 39. На вторичных обмотках развязывающих трансформаторов 33, 34 формируются также напряжения вида 96,97. В интер- валах времени t - tjj, t - t,, Ц-1,,: формируется первая стурень напряжения 106 за счет включенного транзистора 7 (фиг.1 и 2), на цепи управления .. которого подается напряжение 103. Эта форма напряжения управления получается следующим образом. В интервале времени tj, - t полярности напряжений 96, 97 на вторичных . обмотках 42 и 46 совпадают (плюс на концах обмоток) и через переход база-эмиттер силового транзистора 7 протекает ток, обеспечивающий. насьщ1енное состояние силового транзистора 7. При этом ток через диод 62 не протекает из-за соответствующей полярности напряжения обмотки 72. В момент времени t напряжение. 96 вторичной обмотки 42 (и 72 ) меняет полярность и к переходу база-эмиттер силового транзистора 7 прикладывается сумма напряжений обмоток 42 и 72 до момента времени tf , В момент времени 2 изменяется полярность напряжения 97 на 7 вторичной обмотке 46 и в интервале времени t - t к переходу базаэмиттер силового транзистора 7 прикладывается запирающее напряжение,, равное.;е:умме напряжений обмоток 42 и 46. В момент времени tj изменяется полярность напряжения 96 на обМотках 42 и 72 и к переходу базаэмиттер силового транзистора 7 прик ладывается нулевое напряжение. Затем в момент времени t изменяется полярность напряжения 97 обмотки 46 fi транзистор 7 включается и находит ся в режиме насьщения до момента вр (ени tr и т.д. Так как силовой транзистор 8 должен быть включен в интервалах t, - t,y t, - t, , tft- ta,..., TO напряжениена переход база-эмиттер необходимо подават вида 101. Такая форма напряжения фор мируется за счет суммирования напряжений 96, 97 обмоток 43,74,44,77 47,48 развязывающих трансформаторов 33,34. В интервале времени к транзистору 8 прикладывается запи рающее напряжение, равное сумме напряжений обмоток 48 и 77 (сумма напряжений обмоток 48 и44, 47 и 43 равны нулю). В момент времени t( из меняется полярность напряжения 96 на вторичных обмотках 43, 74, 44, 77 ик переходу база-эмиттер силово го транзистора 8 прикладывается напряжение в отпирающей полярности от обмоток 44 и 48. В момент времени t изменяется полярность напряжения 97 на вторичных обмотках 47 и 48 и к переходу база-эмиттер силового транзистора 8 прикладывается напряжение в запирающей полярности от об моток 47 и 74. В момент времени t., изменяется полярность напряжения 96 на вторичных обмотках 43, 74,44,77 и к переходу база-эмиттер силового транзистора 8 прикладывается напряжение в отпирающей полярности от об моток 43 и 47 и т.д. Силовой транзистор 9 должен быть включен в интервалах времени ,, tg, tf2 t ij ,, . . и поэтому на цепи управления подается напряжение 102, которо формируется вторичными обмотками 78 45, 49 развязывающих трансформаторо 33, 34. Исключение сквозных токов; в цепях транзисторов 7-8, 8-9,9-8, 8-7 достигается следующим образом. До момента времени tj был включен силовой транзистор 7. В момент врем ни t изменяется полярность напря8458жения на вторичной обмотке 73 (плюс на начале обмоткиj и по цепи: обмотка 73 - первичная обмотка 86 вспомогательного трансформатора 56 - 6иловой транзистор 7 - диод 58 начинает протекать ток,, что обеспечивает выключенное состояние силового транзистора 8 за счет напряжения 104 вторичной обмотки 91, прикладываемое к переходу база-эмиттер силового транзистора 8. Напряжение на вторичной обмотке 9I исчезнет и включится силовой транзистор 8 только тогда, когда выключится силовой транзистор 7, т.е. исключен режим протекания сквозного тока в момент переключения тока нагрузки с 7 силового транзистора на 8 (режим 7-8), До момента t находится в режиме насыщения силовой транзистор 8. В момент времени t изменяется полярность напряжения 97 на вторичной обмотке 80 и сумма напряжений обмоток 76 :i 80 через развязывающий диод 59 и пока еще открытый транзистор 8 прикладывается к первичной обмотке 88 вспомогательного трансформатора 57, чем обеспечивается подача запирающего напряжения 105 на переход база-эмиттер силового транзистора 9 от вторичной обмотки 93 вспомогательного трансформатора 57. Запирающее напряжение с указанного силового транзистора снимается после отключения первичной обмотки 88 от напряжения обмоток 76, 80, что произойдет после выключения силового транзистора 8. Таким .образом, исключен режим протекания сквозного тока в момент переключения тока нагрузки с 8 силового транзистора на 9 (режим 8-9). Последонательное соединение обмоток 76, 80 испольЗуется для исключения импульсов ндЪряжения на трансформаторе 57 в ин-. тервале времени ti. В момент времени t , изменяется полярность напряжения 96 (плюс на конце обмотки 79) и напряжение обмотки 79 прикладывается через силовой транзистор 9 к первичной обмотке 89, чем обеспечивается подача запирающего напряжения на переход база-эмиттер силового транзистора 8 до .момента выключения силового транЗис- . тора 9. В момент времени tj изменяется полярность напряжения 97 плюс на начале обмоток 75,81) и сумма напряжений обмоток 75,81 прикладывается через силовой транвйстор 8 к первичной обмотке 87, чем обеспечивается подача запирающего напряжения на переход база-эмиттер силового транзистора 7 домомента выключения силового транзистора 8 и т.д.

Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты, получающий питание- от одной сети переменного тока и формирующий на выходе перемен.ное напряжение - другой частоты, выгодно отличается от прототипа тем, что в нем исключены сквозные токи в переключателе отводов. Исключение сквозных токов в ключевых элементах позволяет повысить надежность и коэффициент полезного действия преобразователя частоты в целом.

Ча

щиг.2

ПППППППППППП

1 Jl-ri ri-rL-ri-JT-rL-rL t

I

II .

I . 1r- .«r-L 1

Т

tJ

LJ

L

I

±

Т

т

(Pus.3

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ со ступенчатой формой выходного напряжения, содержащий источник постоянного тока с несколькими промежуточными отводами, транзисторный переключатель отводов с двухсторонней проводимостью, мостовой переключатель и схему управления с развязывающими трансформаторами, основные вторичные обмотки которых соединены последовательно и через базовые резисторы подключены к переходам база.- эмиттер- силовых транзисторов переключателя отводов и мостового переключателя, отличающийся тем, что, с целью повьппения надежности и коэффициента полезного действия путем исключения сквозных токов дополнител-ьно введены вспомогательные трансформаторы и диоды, отсекающие диоды, ,аноды которых соединены с базами силовьк транзисторов переключателя отводов, на развязывающих трансформаторах располо- жёны дополнительные вторичные обмотки, одни из которых подключены к точкам соединения основных вторичных обмоток развязывающих трансформаторов и катодам первых отсекающих диодов, а другие - через соответст(О вующие вспомогательные диоды и первичные обмотки вспомогательных трансформаторов к переходам коллекторэмиттер силовых транзисторов переключателя отводов, при этом вторичные обмотки вспомогательных трансформаторов через вторые отсекающие диоды соединены с переходами базаэмиттер соответствухмцих силовых тран9) 4 зисторов переключателя отводов. 00 4 :л