Преобразователь частоты

 

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.- эмиттерсиловых 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 расположёны 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 4(б)) H 02 И 7/539

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ с

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3674878/24-07 (22) 13.12.83 (46) 30.06.85.Бюл. № -24 (72) Ю.А.Мордвинов (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро геофизической техники (53) 621 ° 314.58(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 764070, кл. H 02 M 7/537, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР ¹ 534838, кл. Н 02 М 7/537, 1975.

3. Авторское свидетельство СССР

¹ 838980,.кл. Н 02 M 7/537, 1 979. (54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ со ступенчатой формой выходного напряжения, содержащий источник постоянного тока с несколькими промежуточными отводами, транзисторный переключатель отводов с двухсторонней проводимостью, мостовой переключатель Й схему управления с развязывающими трансформаторами, основные вторичные обмотки которых соединены последовательно и через базовые резисторы подключены к переходам базаэмиттер- силовых транзисторов переключателя отводов и мостового переключателя, отличающийся тем, что, с целью повьппения надежности и коэффициента полезного действия путем исключения сквозных токов„дополнительно введены вспомогательные трансформаторы и диоды, отсекающие диоды,,аноды которых соединены с базами силовых транзисторов переключателя отводов, на развязывающих трансформаторах расположены дополнительные вторичные обмотки, одни из которых подключены к точкам соединения основных вторичных обмоток развязывающих трансформаторов и катодам первых отсекающих диодов, а другие . — через соответствующие 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 переходама базаэмиттер соответствующих силовых тран зисторов переключателя отводов.

1164845

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты или преобразователям постоянного напряжения в геременное.

Известен преобразователь, содержащий источник постоянного тока с несколькими промежуточными отводами, переключатель отводов, выполненный на базе мостовых инверторов, и схему управления. Указанный источник постоянного тока представляет в общем случае выпрямитель .или конвертор с несколькими уровнями напряжения, подключенный к сети переменного или постоянного тока. За счет переключений промежуточных отводов перек.— лючателем отводов на выходных выводах формируется ступенчатое напряжение. Необходимую последовательность коммутации ключевых элементов коммутатора обеспечивает схема управления, которая в общем случае состоит из задающего генератора кольцевой пересчетной схемы и усилителей мощности с развязывающими тран-сформаторами. Вторичные обмотки развязывающих трансформаторов связаны с цепями управления транзисторов переключателя отводов (1) .

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 регулирования 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" переключатель отводов, мостовой переключатель и схему управления. Указанный источник постоянного тока представляет в общем виде выпрямитель или конвертор с несколькими выходнымй уровнями напряжения, подключенный к сети переменного или постоянного то;ка. На выходе "прямого" переключателя отводов формируется однополяр5.

50 ное 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, содержащий источник постоянного тока с несколькими промежуточными отводами, транзисторный переключатель отводов с двухсторонней проводимостью, мостовой переключатель и схему управления с развязывающими трансформаторами, которая в общем случае содержит задающий генератор, кольцевую пересчетную 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 $3) .

Однако управление дополнитель- . ными транзисторами, введенными для создания цепей "возврата" реактив1164

845 з ной мощности нагрузки и конденсатора источника постоянного тока, осуществляется беэ учета режима(ин-. верторного или выпрямительного) работы преобразователя. Если при работе на нагрузку с cos о =О вклю1Н чение и выключение указанных дополнительных силовых транзисторов происходит с коллекторным током, то при cos Ц„=1,0 эти транзисторы долж- !0 ны включаться беэ коллекторного .тока.

Выключение силового транзистора без коллекторного тока приводит к увеличению времени выключения и искажению формы выходного напряжения. По- 15 этому в качестве ключевых элементов с двухсторонней проводимостью применяют выпрямительные мосты, в диагональ которых включен транзистор, обеспечивающий протекание через не- 20 .го тока 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

ll 1t сквозных. токов в переключателе З0 отводов, выполненном на базе выпрямительных"мостов, в диагонали которых включены транзисторы.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь частоты со ступенчатой формой выходного напряжения, содержащий источник постоянного тока с несколькими промежуточными отводами, транзисторный переключатель отводов с двухсторонней 40 проводимостью, мостовой переключа тель и схему управления с развяэывающими трансформаторами, соответствующие основные вторичные обмотки которых соединены последовательно и 4$ через базовые резисторы подключены к переходам база-эмиттер силовых транзисторов переключателя отводов и мостового переключателя, дополнительно введены вспомогательные тран 50 сформаторы и диоды, отсекающие диоды, аноды которых соединены с базами силовых транзисторов переключателя отводов, на развязывающих трансформаторах расположены дополнитель- 55 ные вторичные обмотки, одни из которых подключены к точкам соединения основных вторичных обмоток раэвяэы-, вающих 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 преобразова-. теля.

Преобразователь частоты (фиг.!) содержит источник постоянного тока 1 с несколькими промежуточиыми отводами -2-5, подключенный к сети переменного (или постоянного ) тока, перек-. лючатель отвода 6, выполненный на транзисторах 7-9 и диодах 10-21, мостовой переключатель 22 на транзисторах 23-26 и диодах 27-30, схе му управления 31 с развяэывающими 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 (фиг.2) развязывающих трансформаторов 33, 34 соединены соответственно последовательно и через. базовые резисторы 50-52 с формирующими конденсаторами 53-55 подключены к переходам база-эмиттер 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 70, El дополнительные вторичные обмотки 72-81 на развязывающих трансформаторах 33,34,одни иэ которых (72, 74,77,78) подключены к точкам сое1164845 динения 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 вспомогательных трансформаторов 56, 57 через отсекающие диоды 63,65,67,69 соединены с переходами база-эмиттер соответствующих силовых транзисторов 7-9.

На фиг. 3 представлено напряжение

94 на выходе заданицего генератора

35, напряжения 96,95,97, формируемые на выходах кольцевой пересчетной схемы 36 и подаваемые соответственно на делитель частоты 40 и уси. лители мощности 38,39, напряжение

98 на выходе делителя частоты 40, напряжение 99, подаваемое на выпрямительные диоды 70,71, напряжение

10О, подаваемое на отсекающие диоды

64,66, напряжение 101, подаваемое на .переход база-эмиттер силового транзистора 8, напряжение 102, подаваемое на переход база-эмиттер силового транзистора 9, напряжение 103, подаваемое на переход база-эмиттер силового транзистора 7, напряжения

104,105, формируемые соответственно на обмотках вспомогательных трансформаторов 56, 57, напряжение

106, формируемое на выходе мостового переключателя 22.

Предлагаемый преобразователь частоты работает следующим образом.

Переменное напряжение Uä поступает на вход источника постоянного тока 1, который обеспечивает выпрямление переменного. напряжения, пре образование и регулирование полученного постоянного напряжения в переменное повышенной частоты и получение нескольких регулируемых уровней постоянного напряжения U1.,U>,U. амплитуды которых равны амплитудам ступеней выходного напряже" ния мостового переключателя. Управление силовыми элементами источника постоянного тока осуществляется от схемы управления, конструктивно вхо дящей в рассматриваемый источник.На выходе переключателя отводов 6 фор5 !

О

ЗО

35.

55 мируется 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 управ.ления усилителей мощности 38, 39.

На вторичных обмотках развязывающих трансформаторов 33, 34 формируются также напряжения вида 96,97. В интервалах времени tp — й4, t4 — t<, йч-й, формируется первая ступень 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 t †. t полярносо ти напряжений 96, 97 на вторичных.. обмотках 42 и 46 совпадают ("плюс" на концах" обмоток) и через переход база-эмиттер силового транзис/ тора 7 протекает ток, обеспечивающий,насыщенное состоявшие силового транзистора 7. При этом ток через диод 62 не протекает из-за соответствующей полярности напряжения обмотки 72. В момент времени tr 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 t2 В момент времени t2 изменяется полярность напряжения 97 на

1164845 вторичной обмотке 46 и в интервале времени t< — t> к переходу базаэмиттер силового транзистора 7 прикЛадывается запирающее напряжение, равное. сумме напряжений обмоток 42 и 46. В момент времени t изменяет3 ся полярность напряжения 96 на обь1отках 42 и 72 и к переходу базаэмиттер силового транзистора 7 прик-, ладывается нулевое напряжение. 3а- 10 тем в момент времени t изменяется полярность напряжения 97 обмотки 46

4 транзистор 7 включается и находитя в режиме насыщения до момента времени t6 и т;д. Так как силовой тран- f5 зистор 8 должен быть включен в интервалах t, — t,,. .t — t, t -t, 2 то напряжение на пе11еход база-эмиттер необходимо подавать вида 101. Такая форма напряжения фор- 2О мируется за счет суммирования напряжений 96, 97 обмоток 43,74,44,77, 47,48 развязывающих трансформаторов 33,34. В интервале времени t р-t< к транзистору 8 прикладывается запи- 25 рающее напряжение, равное сумме напряжений обмоток 48 и 77 (сумма напряжений обмоток 48 и 44, 47 и 43 равны нулю). В момент времени t изменяется полярность напряжения 96 на вторичных обмотках 43, 74, 44, 77 и к 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- О моток 47 и 74. В момент времени изменяется полярность напряжения 96 .на вторичных обмотках 43, 74,44,77 и к переходу база-эмиттер силового транзистора 8 прикладывается напря45 жение в отпирающей полярности от обмоток 43 и 47 и т.д. Силовой транзистор 9 должен быть включен в инTPpBBJlBX BpeMeHH c tg t7 Св и Q и поэтому йа цепи управле50 ния подается напряжение 102, которое формируется вторичными обмотками 78, 45, 49 развязывающих трансформаторов

33, 34. Исключение "сквозных" токов, в цепях транзисторов 7--8, 8-9,9-8, 8-7 достигается следующим образом.

До момента времени t1 был включен силовой транзистор 7. В момент време- ни t1 изменяется полярность напряжения на вторичной обмотке 73 ("плюс"

II ll на начале обмотки) и по цепи: обмотка 73 — первичная обмотка 86 вспомогательного трансформатора 56 — силовой 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 91 исчезнет и включится силовой транзистор 8 только тогда, когда выключится силовой транзистор

7, т.е. исключен режим протекания

II It сквозного тока в момент переключения тока нагрузки с 7 силового транзистора на 8 (режим 7-8). До момента t находится в режиме насьпцения силовой транзистор 8. В момент времени С изменяется полярность напряжения 97 на вторичной обмотке 80 и сумма напряжений обмоток 76 80 через разнязывающий 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 сквоэIl ного тока в момент переключения тока нагрузки с 8 силового транзистора на 9 (режим 8-9). Последователь ное соединение обмоток 76, 80 испольэуется для исключения импульсов на.пряжения на трансформаторе 57 в ин-. тервале времени t - t . В момент времени t 3 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 запирающе.го напряжения на переход база-эмиттер силового транзистора 8 до,момента выключения силового транзис- . тора 9. В момент времени t4 изменяется полярность напряжения 97 ,("плюс" на "начале" обмоток 75,81) и сумма напряжений обмоток 75,81 прикладывается через силовой тран)1648

9 вистор 8 к первичной обмотке 87, чем обеспечивается подача запирающего напряжения на переход база-эмиттер силового транзистора 7 до момента выключения силового транзистора 8 и т.д.

Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты,. получающий питание. от одной сети переменного то- 10

45 . 10 ка 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.

1164845

Составитель В ° Моин

Редактор А.Гулько Техред Л.Микеш Корректор Л.Пилипенко

Заказ 4196/52 Тираж 646 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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