Преобразователь частоты

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для индукционного нагревателя. Достигаемый технический результат - повышение точности стабилизации выходного напряжения преобразователя частоты. Указанный преобразователь содержит трехфазный выпрямитель на диодах, однофазный инвертор на транзисторах, конденсатор, дроссель, регулирующий транзистор, диод, задающий генератор, генератор пилообразного напряжения, два пороговых элемента, три выходных каскада, датчик напряжения, две фильтровые схемы, два устройства сравнения, три датчика тока, схему выбора сигнала обратной связи, регулирующую схему, две схемы усиления сигнала, компаратор, делитель частоты, схему пуска, два триггера, формирователь короткого импульса, источник задающих напряжений. 1 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для индукционного нагревателя.

Известен преобразователь частоты, содержащий выпрямитель, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и однофазный инвертор на транзисторах, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра и демпферный диод, зашунтированный конденсатором фильтра, регулирующий транзистор, шунтирующий последовательное соединение демпферного диода и инвертора, выходные выводы инвертора подключены к выходным выводам преобразователя частоты, блок управления (Исследование системы аккумулятор - повышающий напряжение преобразователь - регулируемый электропривод/ Л.А.Шпинглер и др. //Электротехника. - 1998. -N 10. -С.12-15).

Недостатком преобразователя частоты является низкая точность стабилизации выходного напряжения, что обусловлено принятым способом управления, не учитывающим динамические свойства преобразователя и нагрузки.

Известен преобразователь частоты, содержащий выпрямитель, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и однофазный инвертор на транзисторах, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра, выходные выводы инвертора подключены к выходным выводам преобразователя частоты (Глазенко Т.А., Сеньков В.И. Схемотехнические и конструктивные методы обеспечения электромагнитной совместимости транзисторных преобразователей постоянного напряжения //Электричество. - 1989. -N 12. - С. 37-43).

Недостатком преобразователя частоты является низкая точность стабилизации выходного напряжения.

Известен преобразователь частоты, содержащий трехфазный выпрямитель на диодах, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и однофазный мостовой инвертор на транзисторах с коммутирующим конденсатором в диагонали переменного тока, шунтирующим выходные выводы инвертора, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра и регулирующий транзистор, демпферный диод, шунтирующий встречно последовательное соединение дросселя фильтра и инвертора, выходные выводы инвертора подключены к выходным выводам преобразователя частоты, блок управления (Ruzsamyi T., Baesanyi C. Transistorwechelrichter fur lnduktiwe Erwarmung// Period, polytechn. Mech. engineering. - 1986.-N 1. -S.99-122).

Недостатком преобразователя частоты является низкая точность стабилизации выходного напряжения, что обусловлено включением в цепь самовозбуждения инвертора фазового детектора, имеющего низкую аппаратурную точность определения фазового угла нагрузочного колебательного контура, принятым способом управления, не учитывающим динамические свойства преобразователя частоты и нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь частоты (Россия, патент 2020710, МКИ H 02 M 5/45. Преобразователь частоты со звеном постоянного тока/ Силкин Е.М., Балабина С.А., Пригодин В. И. и др. - Заявл. 23.01.92., Опубл. 30.09.94. - Бюлл. -N 18), который и рассматривается в качестве прототипа.

Прототип содержит трехфазный выпрямитель на тиристорах, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и однофазный инвертор на тиристорах с коммутирующим конденсатором в диагонали переменного тока, шунтирующим выходные выводы инвертора, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра, демпферный диод, шунтирующий встречно последовательное соединение дросселя фильтра и инвертора, выходные выводы инвертора подключены к выходным выводам преобразователя частоты, а также пороговый элемент, выходной каскад, задающий генератор, датчик напряжения на коммутирующем конденсаторе, фильтровую схему, датчик тока, вторую фильтровую схему, регулирующую схему, второй выходной каскад, триггер, источник задающих напряжений, управляющий блок, систему импульсно-фазового управления, распределитель импульсов, причем выход датчика напряжения на коммутирующем конденсаторе соединен с входом фильтровой схемы, выход датчика тока подключен к входу второй фильтровой схемы, выход фильтровой схемы соединен с входом регулирующей схемы, второй вход которой соединен с выходом второй фильтровой схемы, третий вход подключен к второму выходу источника задающих напряжений, четвертый вход соединен с третьим выходом источника задающих напряжений, а выход подключен к входу управляющего блока, вход порогового элемента соединен с выходом второй фильтровой схемы, второй вход подключен к выходу источника задающих напряжений, а выход соединен с входом триггера, выход которого подключен к второму входу управляющего блока, выход управляющего блока соединен с входом системы импульсно-фазового управления, выход которой подключен к входу выходного каскада, соединенного с управляющими электродами тиристоров выпрямителя, выход задающего генератора соединен с входом распределителя импульсов, выход которого подключен к входу второго выходного каскада, соединенного с управляющими электродами тиристоров инвертора, датчик тока подключен к входу выпрямителя, входные выводы преобразователя частоты соединены с выводами питающей сети через трансформатор, а выходные выводы преобразователя частоты подключены к выводам нагрузки через второй трансформатор.

Недостатком прототипа является низкая точность стабилизации выходного напряжения, что обусловлено недостаточным быстродействием способа регулирования напряжения на входе инвертора путем фазового регулирования выпрямителя.

Изобретение направлено на решение задачи повышения точности стабилизации выходного напряжения преобразователя частоты, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователе частоты, содержащем трехфазный выпрямитель, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и однофазный инвертор с коммутирующим конденсатором в диагонали переменного тока, шунтирующим выходные выводы инвертора, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра, демпферный диод, шунтирующий встречно последовательное соединение дросселя фильтра и инвертора, выходные выводы инвертора подключены к выходным выводам преобразователя частоты, а также пороговый элемент, выходной каскад, задающий генератор, датчик напряжения на коммутирующем конденсаторе, фильтровую схему, датчик тока, вторую фильтровую схему, регулирующую схему, второй выходной каскад, триггер, источник задающих напряжений, причем выход датчика напряжения на коммутирующем конденсаторе соединен с входом фильтровой схемы, выход датчика тока подключен к входу второй фильтровой схемы, выпрямитель выполнен на диодах, инвертор выполнен на транзисторах, преобразователь снабжен регулирующим транзистором, включенным в звено постоянного тока преобразователя, снабжен последовательной цепью из второго датчика тока в цепи коммутирующего конденсатора, схемы усиления сигнала, компаратора, делителя частоты, выход которого соединен с входом второго выходного каскада, подключенного к управляющим электродам транзисторов диагонали инвертора, снабжен третьим выходным каскадом, вход которого соединен с вторым выходом делителя частоты, а выходы подключены к управляющим электродам транзисторов второй диагонали инвертора снабжен последовательной цепью из третьего датчика тока в цепи выходных выводов инвертора и второй схемы усиления сигнала, выход которой соединен с вторым входом компаратора, снабжен схемой пуска, выход которой соединен с входом триггера, снабжен формирователем, вход которого соединен с выходом триггера и с вторыми входами второго и третьего выходных каскадов, а выход подключен к входу делителя частоты, снабжен устройством сравнения вход которого соединен с выходом фильтровой схемы, а второй вход подключен к первому выходу источника задающих напряжений, снабжен вторым устройством сравнения, вход которого соединен с выходом второй фильтровой схемы, а второй вход подключен к второму выходу источника задающих напряжений, снабжен схемой выбросигнала обратной связи, входы которого соединены с выходами устройств сравнения, а выход соединен с входом регулирующей схемы, снабжен генератором пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а выход подключен к входу порогового элемента, выход порогового элемента соединен с входом выходного каскада, а второй вход подключен к выходу регулирующей схемы, снабжен последовательной цепью из второго порогового элемента и второго триггера, вход второго порогового элемента соединен с выходом второго устройства сравнения, выход выходного каскада соединен с управляющим электродом регулирующего транзистора, а второй вход подключен к выходу второго триггера, вход датчика тока подключен к входу инвертора.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является стабилизация выходного напряжения в динамических и статических режимах работы за счет обеспечения условий самовозбуждения по мгновенным значениям сигналов тока в ветвях нагрузочного контура, что обеспечивает высокое быстродействие и точность определения момента очередного включения транзисторов инвертора.

Повышение точности стабилизации выходного напряжения преобразователя частоты является полученным техническим результатом, обусловленным введением новых элементов и связей, т.е. отличительными признаками. Таким образом, отличительные признаки заявляемого преобразователя частоты являются существенными.

На чертеже приведена принципиальная схема преобразователя частоты.

Преобразователь частоты содержит трехфазный выпрямитель на диодах 1-6, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и однофазный инвертор на транзисторах 7-10 с коммутирующим конденсатором 11 в диагонали переменного тока, шунтирующим выходные выводы инвертора 12, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра 13 и регулирующий транзистор 14, демпферный диод 15, шунтирующий встречно последовательное соединение дросселя фильтра инвертора, последовательную цепь из задающего генератора 16, генератора пилообразного напряжения 17, порогового элемента 18 и выходного каскада 19, выход которого соединен с управляющим электродом регулирующего транзистора, последовательную цепь из датчика напряжения 20 на коммутирующем конденсаторе, фильтровой схемы 21, устройства сравнения 22, последовательную цепь из датчика тока на входе инвертора 23, второй фильтровой схемы 24. второго устройства сравнения 25, схемы выбора сигнала обратной связи 26, регулирующей схемы 27, выход которой соединен с вторым входом порогового элемента, последовательную цепь из второго датчика тока 28 в цепи коммутирующего конденсатора, схемы усиления сигнала 29, компаратора 30, делителя частоты 31, второго выходного каскада 32, выходы которого соединены с управляющими электродами транзисторов диагонали инвертора, третий выходной каскад 33, второй выход делителя частоты соединен с входом третьего выходного каскада, выходы которого соединены с управляющими электродами транзисторов второй диагонали инвертора, последовательную цепь из третьего датчика тока в цепи выходных выводов инвертор 34, второй схемы усиления сигнала 35, выход которой соединен с вторым входом компаратора, последовательную цепь из схемы пуска 36, триггера 37, формирователя 38, выход которого соединен с входом делителя частоты, выход триггера соединен с вторыми входами второго и третьего выходных каскадов, последовательную цепь из второго порогового элемента 39, соединенного с выходом второго устройства сравнения, и второго триггера 40, выход которого соединен с вторым входом выходного каскада, источник задающих напряжений 41, выход которого соединен с вторым входом устройства сравнения, второй выход - с вторым входом второго устройства сравнения, выход устройства сравнения соединен с вторым входом схемы выбора сигнала обратной связи.

Преобразователь частоты работает следующим образом. Выпрямитель на диодах 1-6 преобразует переменное напряжение сети в постоянное. Выходное напряжение выпрямителя поступает на вход инвертора через дроссель фильтра 13 и регулирующий транзистор 14. Транзисторы диагоналей моста инвертора 7,10 и 8,9 включаются поочередно. За полный цикл работы транзисторов 7-10 в нагрузке 12 формируется полный период выходного переменного напряжения. Диод 15 выполняет роль демпферного диода и обеспечивает протекание тока дросселя фильтра 13 на интервале выключенного состояния регулирующего транзистора 14. Коммутирующий конденсатор 11 обеспечивает компенсацию реактивной мощности нагрузки 12. Коммутирующий конденсатор 11 и индуктивность индукционного нагревателя 12 образуют параллельный колебательный контур.

При подаче импульса с выхода схемы пуска 36 на этапе включения преобразователя частоты переключается триггер 37 и отпирает выходные каскады 32, 33. Одновременно через формирователь 38 подается короткий импульс на вход делителя частоты 31, осуществляется включение выходного каскада 32 или 33 и подача импульсов управления на транзисторы 7, 10 или 8, 9 одной из диагоналей инвертора. При включении транзисторов диагонали 7,10 или 8,9 начинает протекать ток через коммутирующий конденсатор 11 и нагрузку 12. Токи коммутирующего конденсатора 11 и нагрузки 12 измеряются датчиками тока 28, 34. Сигналы с выходов датчиков тока 28, 34 усиливается схемами усиления сигналов 29 и 35 и поступают на вход компаратора 30. В момент сравнения сигналов i₁₁ = ki₁₂, где k - константа, осуществляется подача импульса с выхода компаратора 30 на вход делителя частоты 31 и включение очередной пары транзисторов 7, 10 или 8,9. Таким образом, инвертор преобразователя частоты работает по принципу самовозбуждения.

Выходное напряжение преобразователя частоты изменяется датчиком напряжения 20. Сигнал, пропорциональный выходному напряжению, фильтруется фильтровой схемой 21 и поступает на вход устройства сравнения 22.

Ток на выходе инвертора измеряется датчиком тока 23. Сигнал, пропорциональный выходному току, фильтруется фильтровой схемой 24 и подается на вход устройства сравнения 25.

С выходов источника задающих напряжений 41 на вторые входы устройство сравнения 22, 25 поступают сигналы задания уровней выходного напряжения и тока инвертора. На выходах устройств сравнения 22, 25 формируются сигналы рассогласования, поступающие на входы схемы выбора сигнала обратной связи 26. Схема выбора сигнала обратной связи 26 подает на вход регулирующей схемы 27 сигнал с выхода устройств сравнения 22 или 25, имеющий максимальное значение. Регулирующая схема 27 осуществляет усиление поступающего на ее вход сигнала и ограничение его по максимальному и минимальному уровням. Длительность интервала проводящего состояния регулирующего транзистора 14 на заданном периоде повторения, задаваемом задающим генератором 16, регулируется пропорционально сигналу с выхода регулирующей схемы 27. Генератор пилообразного напряжения 17 формирует пилообразное напряжение с заданным периодом. Обнуление выхода генератора пилообразного напряжения 17 осуществляется сигналом задающего генератора 16. Пороговый элемент 18 при превышении сигналом с выхода генератора пилообразного напряжения 16 сигнала с выхода регулирующей схемы 27 через выходной каскад 19 осуществляет выключение регулирующего транзистора 14.

Стабилизация выходного напряжения преобразователя частоты в статическом режиме осуществляется следующим образом. При повышении выходного напряжения на выходе преобразователя частоты уменьшается уровень сигнала с выхода регулирующей схемы 27. В результате по сигналу порогового элемента 18 увеличивается длительность интервала выключенного состояния регулирующего транзистора 14 и напряжение на выходе преобразователя частоты восстанавливается. При уменьшении выходного напряжения преобразователя частоты схема срабатывает в обратном порядке.

Если по какой-то причине ток на выходе инвертора возрастает, то аналогично происходит уменьшение интервала открытого состояния регулирующего транзистора 14. Таким образом, осуществляется ограничение выходного тока. При дальнейшем возрастании тока на входе инвертора срабатывает пороговый элементе 39 и переключается триггер 40. Сигнал с выхода триггера 40 запирает выходной каскад 19. В результате регулирующий транзистор 14 выключается и отключает инвертор от выходных выводов выпрямителя.

Выходное напряжение инвертора U при заданном напряжении выпрямителя E определяется зависимостью U = yE/cosβ, где y - константа, β = 2πft - угол опережения.

Таким образом, стабилизация cosβ при заданном напряжении на входе инвертора стабилизирует напряжение на выходе преобразователя частоты в статическом и динамическом режиме работы. Измеряя мгновенные значения токов в цепях коммутирующего конденсатора 11 и выходных выводов 12, осуществляя их сравнение и подавая импульс управления по результату сравнения токов, возможно осуществить стабилизацию cosβ. Действительно, при увеличении сопротивления нагрузки 12 выходное напряжения преобразователя возрастает. Однако с увеличением сопротивления нагрузки 12 ток в нагрузочной цепи возрастает медленнее, в результате чего импульсы управления на очередную пару транзисторов 7,10 или 8,9 поступает позже, и cosβ увеличивается. Напряжение на выходе преобразователя частоты при увеличении cosβ уменьшается. Таким образом, стабилизируется напряжение на выходе преобразователя частоты в динамическом режиме работы (сброс, наброс нагрузки). Так как самовозбуждение инвертора осуществляется по результатам измерения мгновенных сигналов тока в ветвях нагрузочного контура i₁₁, i₁₂, напряжение на нагрузке 12 стабилизируется с максимальным быстродействием.

Схема выбора сигнала обратной связи 26 выполняется на основе диодной схемы ИЛИ, пороговые элементы 18, 39, регулирующая схема 27 и устройства сравнения 22, 25 - на основе операционных усилителей, делитель частоты 31 - на основе триггера со счетным входом. Триггеры 37, 40 выполняются на основе RS-триггеров.

По сравнению с прототипом повышается точность стабилизации выходного напряжения преобразователя частоты на 8-10%, что обусловлено используемым способом управления, основанным на измерении и сравнении мгновенных значений токов в ветвях нагрузочного контура. Самовозбуждение инвертора по результатам измерения и сравнения мгновенных значений токов в ветвях нагрузочного контура обеспечивает стабилизацию выходного напряжения преобразователя в динамических режимах работы с максимальным быстродействием, что повышает точность стабилизации.

Формула изобретения

Преобразователь частоты, содержащий трехфазный выпрямитель, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и однофазный инвертор, выходные выводы которого подключены к выходным выводам преобразователя частоты, конденсатор, шунтирующий выходные выводы однофазного инвертора, дроссель, диод, пороговый элемент, выходной каскад, второй выходной каскад, задающий генератор, датчик напряжения, подключенный к конденсатору, датчик тока, фильтровую схему, вторую фильтровую схему, регулирующую схему, триггер, источник задающих напряжений, причем выход датчика напряжения соединен с входом фильтровой схемы, выход датчика тока подключен к входу второй фильтровой схемы, отличающийся тем, что трехфазный выпрямитель выполнен на диодах, однофазный инвертор выполнен на транзисторах, преобразователь частоты снабжен регулирующим транзистором, третьим выходным каскадом, схемой пуска, формирователем короткого импульса, устройством сравнения, вторым устройством сравнения, схемой выбора сигнала обратной связи, генератором пилообразного напряжения, последовательной цепью из второго датчика тока, подключенного к конденсатору, схемы усиления сигнала, компаратора, делителя частоты, выход которого соединен с входом второго выходного каскада, подключенного к управляющим электродам транзисторов диагонали однофазного инвертора, последовательной цепью из третьего датчика тока, подключенного к выходным выводам однофазного инвертора, и второй схемы усиления сигнала, выход которой соединен с вторым входом компаратора, последовательной цепью из второго порогового элемента и второго триггера, причем однофазный инвертор подключен к выходным выводам трехфазного выпрямителя через дроссель и регулирующий транзистор, диод шунтирует встречно-последовательное соединение дросселя и однофазного инвертора, датчик тока подключен к входу инвертора, вход третьего выходного каскада соединен с вторым выходом делителя частоты, а выходы подключены к управляющим электродам транзисторов второй диагонали однофазного инвертора, выход схемы пуска соединен с входом триггера, вход формирователя короткого импульса соединен с выходом триггера и с вторыми входами второго и третьего выходных каскадов, а выход подключен к входу делителя частоты, вход устройства сравнения соединен с выходом фильтровой схемы, а второй вход подключен к второму выходу источника задающих напряжений, вход второго устройства сравнения соединен с выходом второй фильтровой схемы, а второй вход подключен к выходу источника задающих напряжений, входы схемы выбора сигнала обратной связи соединены с выходами устройств сравнения, а выход соединен с входом регулирующей схемы, вход генератора пилообразного напряжения соединен с выходом задающего генератора, а выход подключен к входу порогового элемента, выход порогового элемента соединен с входом выходного каскада, а второй вход подключен к выходу регулирующей схемы, вход второго порогового элемента соединен с выходом второго устройства сравнения, выход выходного каскада соединен с управляющим электродом регулирующего транзистора, а второй вход подключен к выходу второго триггера.

РИСУНКИ

Рисунок 1