Преобразователь частоты

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 4(5)) Н 02 М 5 27

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3480543/24-07 (22) 13.08.82 (46) 15.04.85. Бюл. У 14 (72) Ю.А. Мордвинов (71) Специальное конструкторскотехнологическое бюро геофизической техники (53) 621.314.27 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР .Ф 838980, кл. Н 02 М 7/537, Н 02 М 1/12, 1980.

2. Попов В.И, Построение системы управления инверторами напряжения с использованием принципа стробирования. — В сб.: Проблемы преобразовательной техники. Киев, иэд. ИЭ

АН УССР, 1979, с. 39--41.

3, Авторское свидетельство СССР

У 323835, кл. H 02 P 9/14, 1972.

4. Блоцкий Н.Н,, Стрюцков В.К.

Анализ гармонического состава выходного напряжения импульсно-фазового детектора. — В сб.: Электронная техника и автоматика, М., "Советское радио", 1980, с. 233-240. (54)(57) 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 ключе. вых элементов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения области применения за счет расшире- . ния мощностного диапазона и диапазона изменения характера нагрузки, он снабжен второй парой ключевых элементов, связывающих вторые обкладки запоминающих конденсаторов с вторым входным выводом, мостовым инвертором, одна шина 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 объединенным между собой первой и второй обкладкам соответственно второго и первого запоминающих конденсаторов, причем первый и второй ключевые элементы. соответственно первой и,второй пары выполнены в виде встречно-параллельно соединенных возвратного и зарядного полностью управляемых вентильных элементов, второй и первый клю. чевые элементы соответственно второй и первой пары — в виде встречнопараллельно соединенных возвратного 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 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 че11 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 лерво50711 го и второго трехвходовых логических 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 комлараторов, вторые входы которых связаны с обкладками соответственно первого и второго запоминающих конденсаторов.

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

Известен преобразователь содержащий источники питания, параллельно которым включены емкости, переключатель отводов, мостовой инвертор и 10 схему управления; в качестве источников питания служат аккумуляторные батареи, выпрямитель, подключенный к сети переменного тока и т.д. За счет переключателя отводов на его t5 выходе формируется однополярное ступенчатое напряжение, которое затеи мостовым инвертором преобразуется в переменное с улучшенным гармоническим составом (1) .

Недостатком данного преобразователя является узкая область применения, обусловленная тем, что количест во ступеней выходного напряжения в практике ограничивается тремя- 25 пятью. Увеличение количества ступеней выходного 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"выпрямительсглаживающий ильтр, нельзя получать высокое качество электрической энер1 гии в динаьп ческих 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.

Указанный преобразователь частоты подключен к источнику синусоидально го напряжения. При этом генератор импульсов управления формирует однололярные 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).

Ha входе запоминающего устройства формируется ступенчатое напряжение, частота которого равна разности час" тот источника синусоидального напряжения и генератора импульсов управпения )2) .

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

11507!

Известен преобразователь частоты, содержащий блок предварительной фиксации напряжения, включающий последовательно соединенные ключевой элемент, запоминающую емкость и 5 эмнтторный повторитель, блок выборки и хранения напряжения, состоящий из зарядных ключевых элементов, запоминающих емкостей и эмитторных повторителей, соединенных по 10 балансной схеме, и блок управления.

На вход блока управления поступает переменное напряжение, сдвинутое в общем случае относительного входного синусоидального напряжения на регулируемый угол М . На выходе блока управления формируются узкие импульсы управления в момент перехода входного напряжения через нуль и поочередно поступают на 20 включение зарядных ключевых элементов и включение ключевого элемента блока предварительной фиксации напряжения. На блок предварительной фиксации напряжения поступает сумма 25 синусоидального напряжения и постоянного напряжения смещения,т.е. однонолярное пульсирующее напряжение. Выходное напряжение, частота которого равна разности частот вход- З0 ного и спорного напряжений, снимается с эмитторных повторителей, соединенных по балансной схеме, и поступает на выходной преобразователь, на выходе которого может формироваться ступенчатое напряжение (3 .

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 45 сущности к предлагаемому является преобразователь частоты, содержащий два параллельных канала выборки и .хранения входного напряжения,включающих два усилителя, зарядный клю- 50 чевой элемент, выходной дифферен- циальный усилитель и формирователь импульсов выборки. Элементами аналоговой памяти являются усилители с конденсаторами s цепи обратной 55 связи, входящие в каналы выборки и хранения входного напряжения.

Формирователь импульсов выборки

11 обеспечивает поочередную подачу на цепи управления зарядных ключевых элементов узких импульсов, под действием которых 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 напряжения, а на выходе формируется переменное напряжение ступенчатой формы (4), Однако известные устройства также имеют узкую область применения: они могут успешно применяться только в схемах управления, так как подключать к выходу нагрузку активно-индуктивного или активно-.емкостного характера принципиально невозможно.

Цель изобретения — расширение области применения преобразователя путем обеспечения работы его на мощную нагрузку с любым коэффициентом мощности.

Поставленная цель достигается тем, что 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, снабжен второй парой ключевых элементов, связывающих вторые обкладки запоминающих конденсаторов с вторым входным выводом, мостовьм инвертором, одна шина питания которого подключена через два дополнительно введенных разрядных ключа переменного тока к первой ивторой обкладкам соответственно первого и второго запоминающих конденсаторов, а другая — к обьединенным между собой первой и второй обкладкам соответственно второго и первого запоминающих конденсаторов, причем первый и второй ключевые элементы соответственно первой и второй пары выполнены в виде встречно-параллельно соединенных возвратного и зарядного полностью управляемых вентильных элементов, второй и

1150711

30

50

55 первой ключевые элементы соответствейно второй и первой пары — в виде встречно-параллельно соединенных возвратного 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 трехвходовых логических элемента И и три логических элемента НЕ, причем первые входы первых двух двухвходовых и двух трехвходовых логических элементов И подключены к выходам пер-. вого 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 трехвходовых логических элементов И через первый логический элемент НЕ, выходы первого и второго компараторов подключены к третьим входам соответственно первого и второго трехвходовых логических элементов И непосредственно я 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 конденсаторов.

На фиг.1 представлена схема преобразователя частоты; яа фиг.2 " блок управления s развернутом вотще; на фиг.3 — диаграмиы напряжений яа отдельных элементах схемы.

Преобразователь частоты (фиг.1) содержит узел фиксации и хранения уровней напряжения, включающий 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, связывающих вторые (нижние) обкладки запоминающих конденсаторов 1 и 2 с вторым входным выводом 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 (нижяей) обкладкам соответственно первого 1 и второго 2 запоминающих конденсаторов, а другая 17 †. к объединенным между собой первой (верхней) и второй (нижней) обкладкам соответственно второго 2 и первого 1 запоминающих конденсаторов, причем первый 3 и второй 8 ключевые элементы соответственно первой (3 и 4) и второй (7 и 8) пары выполнены в виде встречно-параллельно 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 неуп" равляемого вентильных элементов. К выходным выводам 26 и 27 подключена нагрузка 28.

Блок управления (фиг. 2) содержит последовательно соединенные первый формирователь прямоугольного напряжения (ФПН) 29, связанный с входными выводами .5 я 9, и первый фазосдвигайщий 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 связанный 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 элемеята И 36, амплитудные компараторы 38 и 39„ связанные с раз1150711 личными запоминающими конденсаторами

1 и 2 и ЗГ 34, два трехвходовых ло гических элемента И 40 и 41, соединенных с логическим элементом HE 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.3 представлено напряжение 46 на входных выводах, 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, 3

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.3). 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 напряжения 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 U < и Vсру пропорциональные соответственно напряжениям на запоминающих конденсаторах 1 и 2. Если напряжение 47 больше напряжения V 1 поступающего, например, от конденсатора 1, то на выходе амплитудного компаратора 38 формируется

1О

15 сов управления только тогда, когда

ЗО

3S

S0

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

Однако для включения 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 импульвыключен ключевой элемент 15 ("1" на логическую схему И поступает, когда на ключевой элемент 15 поступает "0", т.е ° запирающее напряжение в интервале времени (t -t< ...)

Сигнал с логической схемы HE 37 поступает в интервалах времени

0-Тн/4, Тн/2 -ЗТн/ф, Тн. (Тн+Т„/! ) где Т вЂ” 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 относительно напряжения 51 формирователя 33 на 90 эл. град. Таким образом транзистор 20 включается (в интервале времени -tao ), если формируется поднимающаяся часть выходного напряжения (й -t ) и задающее напряжение 47 больше напряжения. Uq до которого заряжен кон-! р денсатор 1, т..е. ко времени tq конденсатор будет заряжен приблизительно до напряжения, соответствующего времени t < задающего напряжения 47.

С момента времени от t < до t<,íà вход логического элемента И 40 посту пает "0" от ФПН 29 и подается напряжение на включение ключевого элемента 15 и выключение ключевого элемента 16. В интервале времени t <-t > подготавливается (подзаряжается) аналогичным образом конденсатор 2, а нагрузка 28 получает энергию от конденсатора t. При этом на поднимающейся части задающей синусоиды

47 импульсы управления на транзисторы 18 19, 23 и 22 не поступают, а реактивная мощность нагрузки (активно-индуктивная нагрузка) сбрасывается поочередно через обрат ные диоды мостового инвертора и че!

О момент времени диоды, включенные последовательно с возвратными транзисторами 18, 23, 19 и 22, выключены, но по мере снижения амплигуды напряжения сети диоды включаются и энергия, запасенная в конденсаторах поочередно начинает "сбрасываться в первичную сеть, После достижения напряжений И«и И «на за поминающих конденсаторах величины, соответствующей задающему напряжению 47 на выходе логических элементов НЕ 44 и 45, появляется "0", токопроводящие транзисторы 18, 23 и 19, 22 выключаются 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), Величина емкости конденсаторов расчитывается иэ 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 наблю дается 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, предлагаемый преобразователь частоты в отличие от прототипа имеет более широкую область применения sa счет работы на мощную нагрузку с любым коэффициентом мощности, что позволит применять его для питания мощных нагрузок.

9 1150711 рез обратные диоды мостового инвертора 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 времени

Но так как напряжения запоминающих конденсаторов в эти моменты времени больше 10 напряжения сети (больше нуля), то диоды, включенные последовательно . с воэвратничи управляемыми вентильными элементами 21 и 20, заперты и запоминающие конденсаторы начнут заряжаться только с момента времени, когда мгновенное значение напряжения сети сравняется с напряжением запоминающих конденсаторов 2 и 1.

Такое управление позволяет ограничить зарядный ток запоминающих конденсаторов, величина которого определяется разностью напряжений между первичньм источником и конденсатором. В интервалах времени Т / 1 -Т„/2, ЗТ1(4 -Т, (Т +Т /4 )-(Т +Т /2 )... выходное напряжение преобразователя должно уменьшаться во. времени по амплитуде и поэтому энергия, заласенная в конденсаторах, сбрасывается в первичный 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 43;На их входы поступают напряжения 52 от логического элемента И 36, напряжения 49.и 50 от двух логических эле- ментов И 31 и 32 и от логических элементов НЕ 44 и 45, подключенных к амплитудным компараторам 38 и

39. На входы логических элементов И

31 и 32 поступают прямоугольные напряжения 48 с выхода ФПН 29 и напряжение, сдвинутое на 90 эл.град, фаэосдвигающей схемой 30 относительно напряжения 48. На выходах логических элементов НЕ 44 и 45 будут формироваться 1 у когда задаю 5О щее напряжение 47 меньше напряжений U и U< на соответствующих

С1 кондейсаторах 1 и 2. Таким образом, на ниспадающей части выходного (Задающего) напряжения включение 55 транзисторов 18 23, 19 и 22 происходит в момент максимума входного напряжения сети. В первоначальный

11

Предлагаемый преобразователь частоты характеризуется, кроме того, высоким качеством электрической энергии в статических и динамических режимах и для него применима интегральная технология изготовле1150711 ния за счет отсутствия s схеме моточник изделий (согласующих трансформаторов и дросселей ) что позволит сократить массу и габариты систем электропитания.

31507t1

mf nm2

Фиг. 2

1150711

Фиг. д

Составитель Г. Иыцык

Техред С.Легеза Корректор В. Гирняк

Редактор К. Волощук

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4

Заказ 2158/42 Тираж 646 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб. ° д. 4/5