Однофазный преобразователь частоты

 

Изобретение относится к преобразовательной технике. Целью является повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей. Устр-во содержит мост на ключах 1-4 переменного тока, выполненный на транзисторах 5- 12. На выходе включен запоминающий . конденсатор 1.5. Для управления транзисторами 5-12 используются импульсные последовательности, формируемые .. блоком управления 16 в соответствии с определенными логическими вьфажениями. 5 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (19) (И) (594Н 02М 527

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

f8

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ.(21) 3919223/24-07 (22) 01.07.85 (46) 07.09.88. Бюл. У 33 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро геофизической техники (72) Ю.А. Мордвинов (53) 6 21. 314 . 27 (088 . 8) (56) Современные задачи преобразова тельной техники. — Ч. 2, Киев, 1975, с. 133-13 7.

Авторское свидетельство СССР

N 1092680, кл. Н 02 М 5/27, 1982.

Авторское свидетельство СССР

N 1205240, кл . H 02 M 5/27, 1984. (54) ОДНОФАЗНЬЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике. Целью является повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей. Устр-во содержит мост на ключах 1-4 переменного тока, выполненный на транзисторах 512. На выходе включен запоминающий конденсатор 1.5. Для управления транзисторами 5-12 используются импульсные последовательности, формируемые блоком управления 16 в соответствии с определенными логическими выражениями е 5 ил °

14 223 29

Изобретение относится к электротех нике, в частности к статическим преобразователям переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты.

Целью изобретения. является повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей путем упрощения силовой части, уменьшения количества запоминающих конденсаторов и уменьшения искажения формы выходного напряжения.

На фиг. 1 представлена мостовая схема преобразователя частоты; на 15 фиг. 2 — блок управления; на фиг. 3— схема сравнивающего устройства, на фиг. 4 — диаграммы напряжений на отдельных элементах схемы, на фиг. 5— нулевая схема преобразователя часто- 20 ты.

Однофазный преобразователь частоты содержит силовую часть, выполненную по мостовой схеме на ключах 1-4 переменного тока, на основе транзисторов 25

5-12, которые соединены с входными выводами 13 и 14, запоминающий конденсатор 15 на выходе, блок 16 управления и выходные выводы 17 и 18. Блок управления (фиг. 2) включает в себя 30 первый 19 формирователь импульсов с выходами 20-23, соединенный входом с входными выводами 13 и 14, источник 24 задающего напряжения, на двух выходных выводах 25 и 26 которого Форм руются сигналы U> и tU I сравнивающий блок 27, соединенный входами с вторым выводом 26 источника 24 задающего напряжения, выходными выводами 1? и 18 с напряжением 40

Бвыи, второй формирователь 28 им.пульсов, соединенный входом с первым выходом 25 источника 24 задающего напряжения, и логический блок, включающий в себя четыре двухвходовых ло- 45 гических элемента ИЛИ 29-32 и восемь пятивходовых логических элементов И

33-40, и входами связанный с выхода-. ми 20-23 и 4 1-44 Формирователей импульсов и сравнивающего блока, а выходами — с управляющими входами соответствующих ключей переменного тока силовой части, причем сравнивающий блок 27 соединен дополнительно с первым 21 и вторым 22 выходами первого формирователя и имеет дополнительный выход 45, Блок управления снабжен дополнительно третьим формирователем 46 импульсов с выходами 47 и 48, которые соединены с входами логического блока (пятивходовыми . логическими эле-. ментами И 33-40) .

Сравнивающий блок 27 (фиг. 3) содержит амплитудные компараторы 49 и

50, входы которых связаны с источником 24 задающего напряжения и выходными выводами 17 и 18 через выпрями-.. тель 5 1 и согласующий трансформатор

52, одновибраторы 53 и 54, входы которых соединены с первыми 21 и вторым 22 выходами первого формирователя 19 импульсов напряжения, два IKтриггера. 55 H 56, входы С которых соединены с положительной клеммой питания, входы I — с выходами одновибраторов 53 и 54, входы К - с выходами амплитудных комнараторов 49 и 50, а их выходы являются выходными клеммами 43-45 сравнивающего блока, на которых формируются импульсные послеpOBBTBJIbHOCTH fg (t) ° fq (t) f g (t) °

Функциональная характеристика логического блока, а также внутренние, его связи между логическими элементами (внешние — с узлами блока управления) определяются следующими логическими выражениями:

2 < Ф

f, (t) + f,(t) . f, (t). f (t). f, (t).

Е (еЦ р

Е (t) = t f,(t) Е,(с) .Е, (t). f,(t).

° f (t) + f (t) ° Е (й) Е (г.) ° Е (г.) °

f (t) =Cfz(t) Е,(е).а,(е) f.(t)

2 1 Х 7

= Ех® Е1 (") ЕГ(") Е7(")

f (t) + f (t) f, (t) f (t) f (t) Е (еЦ .

На фиг. 4 представлено входное наO пряжение 57, подаваемое на входные выводы 13 и 14, задающее напряжение

U 58 на выходе 25 источника 24 за3

14223 дающего напряжения, импульсы f<(t) 59, f„(t) 60, f (t) 61, f> (t) 62 управления поступающие. соответственно на транзисторы 5, 12, 6, 11; 7, 10 8, 9, выходное напряжение 63, формируемое на выходных выводах 17 и 18, импульсы напряжения 64 и (t) на первом выходе 47 третьего формирователя 46 импульсов напряжения им- 10 пульсы Е, (t) 65, fq (t) бб, f> (t) 67,fz(t

68 собтветственно на первом 21, втором 22, третьем 20 и четвертом 23 выводах первого формирователя 19 импульсов напряжения, импульсы напряже-15 ния 69 fs(t) на первом выходе 41 второго формирователя 28 импульсов. На фиг. 5 представлена силовая часть однофазного преобразователя частоты, применение которого особенно целесо- 20 образно при формировании выходного напряжения малой амплитуды (десятки вольт). Преобразователь частоты фиг, 5) содержит накопительный конденса1тор 70, два ключевых элемента 71 и 25

72, на транзисторах 73-76, первые

I силовые электроды которых соединены с первой (верхней) обкладкой накопительного конденсатора 70, блок 77 управления, согласующий трансформатор 3р

78, первичная обмотка которого подключена к входным выводам 79 и 80, вторичная — к вторым силовым электродам ключевых элементов 71 и 72,.средняя точка 81 вторичной обмотки — к второй (нижней) обкладке накопительного конденсатора 70, и выходные выводы 82 и 83 соединены с обкладками накопительного конденсатора 70. Блок

77 управления выполнен аналогично .. 40 блоку 16 управления (фиг, 2 и 3).

Однофазный преобразователь частоты (фиг. 1) работает следующим образом.

На вход первого формирователя 19

45 импульсов напряжения поступает вход-. ное напряжение 58, а на его выходах

20-23 формируются импульсные последовательности 67, 65, 66, 68. На выходе 25 формируется задающее напряжение и поступает на второй формирователь 28 импульсов напряжения, на первом выходе 41 которого формируется напряжение 69, а на втором выходе 42 — проинвертированное напряжение 66 fs (t), На втором выходе 26 ис-. точника 24 задающего напряжения формируется выпрямпенное напряжение 58.

29

Указанное выпрямленное напряжение !

11 поступает на разные входы ампли3 тудных компараторов 49 и 50, на другие входы которых поступает выходное напряжение 63 (тоже выпрямпенное напряжение f U t = ) К U „„1., пропорциональное выходному напряжению 63, где . К - коэффициент пропорциональности) .

На выходе амплитудного компаратора 48 формируется логическая "1" при

tU I (JU,1, а на выходе амплитудного компаратора 50 — при lU>) ) 1U,) .IKтриггер 55 обеспечивает на выходе логическую "1" с момента перехода входного напряжения 57 через нуль и до момента равенства !Щ = (Ural . Достигается это за счет формирования узких импульсов напряжения одновибратором

53 по переднему фронту импульса 67 и амплитудным компаратором 49 в момент равенства Ug t = )U< (. IK-триг-. гер 56 обеспечивает на выходе логическую "1" с момента максимума входного напряжения 57 до момента равенства IU = )U<) . Такое построение сравнивающего блока 27 позволяет исключить большое количество коммутаций (будет только две коммутации ключевых элементов .1-4) на полупериоде входного напряжения 57, что приводит к повышению КПД преобразователя в целом. Третий формирователь 46 импульсов напряжения обеспечивает определение интервалов времени, где требуется разряд накопительного конденсатора 15, подключен к выходу амплитудно

ro компаратора 49 и формирует на выходе импульсы 64 напряжений, передний фронт которых определяется параметрами нагрузки и емкостью запоминающего конденсатора 15, а срез совпада ет с моментом перехода выходного напряжения через нуль. Уменьшение нагрузки или увеличение емкости запоминающего конденсатора приводит к смещению переднего фронта импульсов 64 напряжения влево в пределе до момента максимума амплитуды входного напряжения 63. Простейший вариант схемы третьего формирователя 46 импульсов напряжения базируется на основе дифференцирующей цепочки, которая "не чувствует" узкие импульсы напряжения, поступающие с выхода амплитудного компаратора 49 в интервале времени t р Зо сK 2 ° ° ° и узкие провалы выходного напряжения амплитудного компаратора 49 в интервалах времени

5 14223 к.< о в к..2 t< o ° ° H +bear уп, равления f> (t) 59, поступающие на транзисторы 5 и 12 в интервале времени t — tr, формируются на выходе первого пятивходового логического

5 элемента И 33. На его входы поступают импульсы 65 и 67 с выходов перво,го формирователя 19, импульсы 69 с

:первого выхода 41 второго формировате-10 ля 28, проинвертированные импульсы 64(64) с второго выхода 48 третьего формирователя 46 и импульсы с выхода 43 сравнивающего блока 27. Импульсы

59 управления, поступающие в интерва-15

Ле времени t„2 -.t< на эти жи транзисторы 5 и 12, формируются на выхо. де второго пятивходового логического элемента И 34. На его входы поступа-. ют импульсы 68 и 66 с выходов перво- 20 го формирователя импульсов напряжения

19 проинвертированные импульсы 69 (69) с выхода 42 второго формирователя 28, импульсы 64 с выхода 47 третьего формирователя 46 и импульсы с выхода 44 сравнивающего блока 27. Вы )одные импульсные последовательности

rtятивходовых логических элементов И

ЭЗ и 34 поступают на двухвходовой логический элемент ИЛИ 29 и на его выходе формируются импульсы 59 f8 (t) управления для транзисторов 5 и 12. -.

Импульсы 60 Е, (t) управления для транзисторов 6 и 11 формируются на базе кятивходовых логических элементов И 37 и 38. Импульсы 60 управле35 нйя в интервале времени формируются на выходе пятивходового логического элемента И 37 за счет подачи на его входы импульсов 68 f2 (t), <0

65 f< (е), 69 f+(t), 64 f>(t) напряже.ння и с выхода 44 Е< (t) сравнивающего -блока 27. Импульсы 60 управления в интервале времени 1 -й„ фоРмиРуются на выходе пятивходового логического элемента И 38. На выходе двухвхо-. дового лог ичес ког о элемента ИЛИ 3 1 ф<эрмируются импульсы 60, которые поступают ка управляющие электроды транзисторов 6 и 11. Импульсы 61 Е« (t) и 62 fg(t) управления соответственно

50 для транзисторов 7, 10 и 8, 9 формируются аналогичным образом (фиг. 2) .

Передний фронт импульсов 59 и 62 управления в интервале времени t -t „< и импульсов 60 и 61 в интервале времени t>< -t <, определяется моментом перехода входного напряжения 57 через нуль (импульсами 67), а их срез определяется моментом равенства напряжений ) Ugl и )Б<), определяемым сравнивающим блоком 27 (выход 43) . Передний форнт импульсов 59 и 62 управления в интервале времени tr, < — t и импульсов 60 и 61 в интервале времени

it<< 2 — tg

IU

Силовая часть преобразователя ра» ботает следующим образом.

Согласно 59 в интервале времени

t, — t, импульс управления frr (t) поступает на, транзисторы 5 и 12, которые включаются в момект перехода входного напряжения 57 черее куль. После достижения мгновенного значения выходного напряжения 63 заданной величины (Iv>I = IV,/ ), определяемого задающим напряжением 58, на. выходе 43 сравнивающего блока 27 появляется ло-. гический "0",который обеспечивает снятие управляющих напряжений с транзисторов 5 и 12 . С этого момента вре" мени и до момента t нагрузка полу< чает питание от запоминающего конденсатора 15. В момент времени t (момент перехода входного напряжения 57 через нуль) импульсы управления 62

fg(t) поступают на включение транзисторов 8 и 9, момент выключения которых тоже определяется моментом равенства напряжений I vgl u I V„f . Выключение этих транзисторов обеспечивается также за счет формирования логического "0" на втором выходе 43 сравнивающего блока 27. В интервале времени а,< — t< < импульсы 59 и 62 управления поступают только на транзисторы 5, 12 и 7, 8. В интервалах времени

t о — t <, >, осуществляется дозаряд накопительного конденсатора

15 от первичной сети 13-14, а в интеРВалах Времени t <4; < 1З<< y tg 2 tgp y происходит разряд накопительного конденсатора 15 через первичную сеть.

В интервалах времени йо — йк <, tk.2 9 ° ° ° напряжение Цьых на .Конденсаторе 15 не больше задающего U т.е. всегда f U

60 и 61 управления поступают соответ1422329 ственно на транзисторы 6, 11 и 7, 10.

tzi +taz

В интервале времени — -- — — — t им2 22. пульс 61 управления поступают на тран5 зисторы 7 и 10, причем передний фронт

его совпадает с моментом максимума входного напряжения 57 (связан с импульсами 63), а срез — с моментом равенства1ОЗI и.IU I, определяемым . 1О сравнивающим блоком 27. Поступление импульсов управлений на транзисторы

7 и 10 в момент максимума входного напряжения 57 исключает большие разрядные токи в цепи конденсатора 15. 15 22+ 2

В момент времени — — - импульс 602 управления поступает на транзисторы б и 11 и снимается в момент равенства напряжений I U I и Ш I В интерва- 20 ле времени t -t g0 (фиг. 4) импуль-. сы 60 и 61 управления поступают топько на транзисторы 7, 10 и 6, 11. Рассмотренная работа преобразователя частоты в интервале t -t ä дает пол-25 ное представление о его функционировании в общем. Передний фронт импульсов 60 и 61 управления, поступающих на транзисторы 7, 10 и 6, 11, в интервале времени t>z -t< совпадает с моментом перехода через нуль входного напряжения 57, а их срез — с моментом равенства напряжений U lw .I U,I . Передний фронт импульсов 59 и

62 управления, поступающих на транзисторы 5, 12 и 8, 9, в интервале времени tk 2 -t60 совпадает с максимумом входных;, напряжений 57, а их срез — с моментом равенства напряже31 1 40

Однофазный преобразователь частоты (фиг, 5 второй преобразовательный блок) работает следующим образом.

Для управления транзисторами 7376 применяются те же импульсные по- 45 следовательности 59-62. Импульсы 5962 управления поступают соответственно на транзисторы 74, 73, 76, 75. Эта схема, в отличие от схемы (фиг. 1), имеет согласующий трансформатор 78 и два ключевых .элемента 71 и 72 на транзисторах 73-76. Эту схему преобразо-вателя частоты целесообразно применять при формировании на выходных выводах 82-83 напряжения 57 малой амплитуды (десятки вольт), когда последовательное соединение ключевых элементов, выполненных на транзисторах и диодах, существенно сказывается на

КПД, надежности„и форме выходного напряжения. Согласующий трансформатор

78 обеспечивает согласование входного напряжения 57 (сотни вольт) и выходного 63 {десятки вольт) . Как видно, такой преобразователь частоты по сравнению с преобразователем по фиг. t в два раза имеет меньше ключевых элементов. При положительной полярности напряжения на "начале" вторичной обмотки импульс 59 управления поступает в момент перехода входного, напряжения 57 через нуль (момент t ) на транзистор 74, который обеспечивает заряд накопительного конденсатора 70 от верхней полуобмотки. Момент выключения транзистора 74 в интервале времени to-t< совпадает с моментом равенства напряжений I U>l и )U

27. В другой полупернод входного напряжения 57 импульс 62 управления поступает на транзистор 75, при этом ,передний фронт импульса 62 управления совпадает с моментом перехода входного напряжения через нуль t, а его срез — с моментом равенства напряжений V>I и IU, I . Импульсы 59 и

62 управления в интервале времени

t< поступают поочередно на транзисторы 74 и 75 для подзарядки накопительного конденсатора 70. В интервале времени t —,> импульсы 61 и

60 управления поступают на транзисторы 76 и 73, при ютом передние фронты импульсов управления совпадают с максимумами входного напряжения 57, а срезы — с моментами равенства напряжений U f и I U I . В интервале времени 1к! .tg< осуществляется разряд конденсатора 70 через вторичную обмотку согласующего трансформатора 78.

Последовательности поступления импульсов 59-62 управления в интервалах времени tgo -tg g H tyc g - 160 наглядно иллюстрируют работу преобразователя частоты (фиг. 5).

Таким образом, предлагаемые преобразователи частоты выгодно отличаются от известного более высокой надежностью, КПД, меньшей массой и габаритами за счет уменьшения в два раза количества ключей и накопительных кон" денсаторов. Преобразователи частоты особенно эффективны при формировании на выходе напряжения низкой частоты и при большой разности частот входно- . го и выходного напряжений.

14 22329

Формула изобретения

Однофазный преобразователь частоты, содержащий силовую часть в виде по крайней мере, четырех полностью уп-. равляемых ключей переменного тока, включенных между входными и выходными выводами, запоминающий конденсатор, первой обкладкой подключенный к 10 первому выходному выводу преобразователя, и блок управления, включающий в себя первый формирователь импульсов, соединенный входом с входными выводами и выполненный формирующим на 15 выходах прямые и инверсные импульсные последовательности f,(t), f, (t), совпадающие по частоте и фазе с входным напряжением, и последовательности f (t), f z (t), частота которых пр е- 20 вышает в два раза частоту входного напряжения и совпадает с ним по фазе, источник заДающего напряжения, выпол.ненный формирующим на двух выходах сигналы U u l U I сравнивающий блок, i25

3 входами соединенный с вторым выходом источника задающего напряжения и с выходными выводами с напряжением

U8 и обеспечивающий на выходах импульсные последовательности Е (t) и 30

fy (t), логическая единица на которых формируется соответственно при I Ug! ( К U,„I и 1U>) 3 К U (, второй формирователь импульсов, соединенный входом с первым выходом источника за- З5 дающего напряжения и обеспечивающий на выходах прямую и инверсную импульсные последовательности f (t) и f (t) совпадающие по частоте и фазе с задающим напряжением U, а также логи- 40 ческий блок, входами связанный с выходами формирователей импульсов и сравнивающего блока, а выходами — с управляющими входами соответствующих ключей переменного тока силовой части, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, улучшения массогабаритных показателей, четыре ключа переменного тока соединены по мостовой схеме, одна диагональ которой образует входные, а .другая диагональ — выходные выводы, вторая обкладка запоминающего конденсатора подключена к второму выходному выводу преобразователя, сравнивающий блок соединен дополнительно с первым и вторым выходами первого формирователя импульсов и выполнен формирующим на третьем выходе импульсную последовательность Еь(с), логическая единица на котором формируется при (U ) (К U „„I блок управления снабжен дополнительно третьим формирователем импульсов, выполненным обеспечивающим получение на выходах двух импульсных последовательностей f (t) и Е (t), логические единицы на которых формируются соответственно при

1 U) ((! К Usыl и I U) I > ) K Unlax i i npu чем логический блок дополнительно связан с выходами третьего формирователя импульсов и выполнен реализующим на своих выходах импульсные последовательности

Е (е) = (Е,(с) Е,(е) Е (с) Е„(Е)

Еэ (г) + Е, {t) f, (). Е () ° Е, (t), Е (t));

Е,() = ГЕ (t) f, () Е () f„(t) f, (t) + f,(t), fÄ (t) f, (t) f, (t).

f422329

1422329

Составитель Г.Мыцык

Редактор О. Головач Техред M. Ходанич Корректор А.Обручар

Заказ 4437/53

Тираж 665

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4