Низкочастотный преобразователь

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники. Технический результат низкочастотного преобразователя - повышение надежности. Низкочастотный преобразователь содержит однофазный мостовой инвертор напряжения, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из источника противофазных тактовых импульсов с частотой f, управляющего органа, каналов управления силовыми ключами с формирователями импульсов управления, соединенными с управляющими цепями соответствующих силовых ключей однофазного мостового инвертора напряжения и управляющего органа. Благодаря введению в систему управления генератора пилообразных напряжений с частотой 2f, двухвходового компаратора, распределителя импульсов, ограничителя максимального выходного напряжения управляющего органа, а в мостовом инверторе содержится только два обратных диода, и оригинальной схеме их соединения обеспечивается технический результат. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники, и предназначено для использования в установках электронагрева нефтескважин.

Известен однофазный мостовой автономный инвертор напряжения (далее АИН), выполненный на базе двухоперационных запираемых тиристоров с широтно-импульсным регулированием и звеном постоянного тока, выполненным на выпрямителе с конденсаторным фильтром (Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. «Основы преобразовательной техники». / М.: Высшая школа, 1980, с.237-240). Преобразование постоянного напряжения в переменное для питания активно-индуктивной нагрузки заданной частоты происходит за счет переключения диагонально расположенных пар тиристоров импульсами, смещенными на 180° эл. При переключении ключей электромагнитная энергия нагрузки сбрасывается в батарею конденсаторов источника постоянного напряжения. Емкость батареи конденсаторов С достигает большой величины, особенно при низких частотах f и больших токах АИН:

,

где: I - ток нагрузки;

t=1/f - время протекания тока через батарею конденсаторов;

ΔU - допустимая величина перенапряжения на конденсаторах.

При токе в несколько сотен ампер и малых частотах f (менее 5 Гц) емкость батареи конденсаторов может достигать величин фарад, что является основным недостатком данного устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является низкочастотный преобразователь на базе автономного инвертора напряжения (АИН) (RU 98650 U1 опубликовано 20.10.2010, Бюл. №29), выполненный на транзисторных ключах, с активно-индуктивной нагрузкой и двухканальной системой управления (см. фиг.1).

Силовая часть представлена однофазным мостовым инвертором 1 с выпрямителем 2, транзисторными ключами 3…6, четырьмя обратными диодами 7, 8 и активно-индуктивной нагрузкой 9. Управление ключами инвертора осуществляется от двухканальной системы управления 10 с идентичными каналами управления 12, 13. В каждом канале управления содержатся формирователи импульсов 14, 15.

Регулирование выходного напряжения инвертора происходит за счет изменения длительности τ2 включенного состояния ключей 4 и 6, которая определяется элементами 15 в каналах управления 12 и 13 в функции управляющего сигнала Up управляющего органа 16. При этом элементы 14 представляют собой драйверы, а элементы 15, кроме драйверов, содержат фазосмещающие устройства, формирователи длительности и компараторы. Наличие двух фазосмещающих устройств в системе 10 приводит к возникновению асимметрии управляющих импульсов, поступающих на ключи 4 и 6, что негативно сказывается на качестве выходного напряжения инвертора 1, увеличивает потери мощности в нагрузке 9, усложняет систему регулирования, понижает надежность и кпд в целом. Перечисленные обстоятельства подтверждают сложность устройства-прототипа и его низкую надежность.

Технический результат заявляемого устройства - упрощение и повышение надежности устройства.

Технический результат достигается тем, что в низкочастотном преобразователе, содержащим однофазный мостовой инвертор напряжения, выполненный на выпрямителе, силовых ключах, например транзисторных и обратных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из источника противофазных тактовых импульсов с частотой f, управляющего органа, каналов управления силовыми ключами с формирователями импульсов управления, соединенными с управляющими цепями соответствующих силовых ключей однофазного мостового инвертора напряжения и управляющего органа, причем источник противофазных тактовых импульсов с частотой f выходами соединен с первыми формирователями импульсов в каждом канале управления, в систему управления введены генератор пилообразных напряжений с частотой 2f, двухвходовой компаратор, распределитель импульсов, ограничитель максимального выходного напряжения управляющего органа, при этом источник противофазных тактовых импульсов выходами подсоединен к входам генератора пилообразных напряжений, распределителя импульсов, выход генератора пилообразных напряжений соединен с первым входом двухвходового компаратора, второй вход которого подсоединен к выходу управляющего органа, при этом распределитель импульсов содержит, например, два ключа, выходы которых соединены с входами вторых формирователей импульсов в каждом канале управления, а к управляющему органу подсоединен ограничитель максимального выходного напряжения. Однофазный мостовой инвертор напряжения содержит два обратных диода.

Сущностью заявляемого изобретения является то, что между источником противофазных тактовых импульсов частотой f и двумя идентичными каналами управления силовыми ключами включены общие генератор пилообразных напряжений с частотой 2f, компаратор и распределитель импульсов, при этом выходы распределителя импульсов подключены к входам вторых формирователей импульсов обоих каналов управления силовыми ключами, а к управляющему органу подсоединен ограничитель максимального выходного напряжения. Силовая часть же инвертора содержит только два обратных диода.

На фиг.1 приведена схема прототипа, на фиг.2 - схема заявляемого устройства, на фиг.3 - показан источник противофазных тактовых импульсов с частотой f диаграммы работы заявляемого устройства; на фиг.4 - диаграммы работы заявляемого устройства.

На схемах по фиг.1, фиг.2, фиг.3 приняты следующие обозначения:

1 - однофазный мостовой инвертор;

2 - выпрямитель;

3…6 - силовые ключи, например транзисторы;

7, 8 - силовые обратные диоды (на фиг.1 диодов четыре, на фиг.2 - два);

9 - активно-индуктивная нагрузка (u, i - напряжение и ток в нагрузке);

10 - система управления;

11 - источник противофазных тактовых импульсов с частотой f и двумя выходами «a» и «x» (источник 11 может быть выполнен, например, на основе генератора 26 и двух компараторов 27 и 28);

12, 13 - каналы управления силовыми ключами;

14 - первые формирователи импульсов в блоках 12, 13 и обозначаемые по тексту ФИ1;

15 - вторые формирователи импульсов в блоках 12, 13 и обозначаемые по тексту ФИ2;

16 - управляющий орган;

17 - генератор пилообразных напряжений с частотой выходного сигнала 2f, выполненный, например, на элементах 21…23;

18 - двухвходовой компаратор;

19 - распределитель импульсов, состоящий, например, из двух ключей 24 и 25;

20 - ограничитель максимального выходного напряжения Uym управляющего органа 16;

21 - усилитель;

22 - ключ «сброса» (для обнуления конденсатора в интеграторе 23);

23 - интегратор.

Сигналы на фиг.1-фиг.3:

Uи - напряжение импульсов «сброса» на выходе 21;

Uп - пилообразное напряжение на выходе 23;

Uу - напряжение управления на выходе 16;

Up - напряжение на входе 16.

Примечания:

1. В заявляемом устройстве формирователи импульсов 14 и 15 состоят из драйверов и не содержат в своем составе других устройств. По сравнению с прототипом, в котором формирователи импульсов 15 являются более сложными узлами и содержат, кроме драйверов, фазосмещающие устройства, компараторы и формирователи длительности импульсов.

Обозначения по фиг.4:

Сигналы U1, U2, a, x, Uи, Uп, Uy приведены в обозначениях по фиг.2;

ФИ1 - 12(14), ФИ2 - 12(15) - соответствующие формирователи импульсов 1 и 2 в канале управления 12, их цифровые обозначения 14 и 15;

ФИ1 - 13(14), ФИ2 - 13(15) - то же, но в канале управления 13;

τ1, τ2 - длительности импульсов соответственно на выходах блоков 14, 15 в каналах управления 12 и 13;

τ1(3), τ1(5) - длительности импульсов управления на силовых ключах 3 и 5;

τ2(4), τ2(6) - то же на силовых ключах 4 и 6;

t1 - время нарастания и спада до нуля тока нагрузки i;

Δt - время импульса «сброса» Uи;

Ud - напряжение на выходе выпрямителя 2;

u, i - соответственно напряжение и ток в нагрузке 9.

Устройство содержит однофазный мостовой инвертор 1, состоящий из выпрямителя 2, силовых ключей 3…6, например, транзисторных и двух обратных диодов 7, 8, активно-индуктивную нагрузку 9 и систему управления 10, состоящую из источника противофазных тактовых импульсов 11 с частотой f двух идентичных каналов управления 12, 13 силовыми ключами с двумя формирователями импульсов 14, 15 в каждом, соответственно соединенные с управляющими цепями силовых ключей 3…6, управляющего органа 16. Кроме того, имеются двухвходовые генератор пилообразных напряжений 17 с частотой 2f и компаратор 18, первый вход которого подключен к генератору пилообразных напряжений 17, а второй вход - к управляющему органу 16. Вход распределителя импульсов 19 соединен с выходом компаратора 18, а его оба выхода - с вторыми формирователями импульсов 15 каналов управления силовыми ключами 12 и 13. К управляющему органу 16 подключен ограничитель выходного напряжения 20. К выходам источника противофазных тактовых импульсов 11 подключены входы первых формирователей импульсов 14 каналов управления 12, 13 силовыми ключами; входы генератора пилообразных напряжений 17, содержащего усилитель 21, ключ «сброса» 22 и интегратор 23, а также входы ключей 24, 25 распределителя импульсов 19.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.

На выходах «a» и «x» источника тактовых импульсов 11 образуются две противофазных последовательности импульсов с заданной частотой f, которая при помощи генератора пилообразных напряжений 17 преобразуется в пилообразное напряжение Uп с частотой 2f. Это осуществляется, например, с помощью усилителя 21, ключа «сброса» 22 и интегратора 23. Данный процесс отражен четырьмя верхними диаграммами на фиг.4, где U1 и U2 - напряжения на выходах «a» и «x» блока 11. Импульс напряжения Uи образуется на выходе 21 и поступает на ключ 22, кратковременно (в течение Δt) шунтирующий конденсатор интегратора 23, осуществляя «сброс» «пилы» от максимума до нуля два раза за период Т=1/f. Сигнал Uп подается на первый вход компаратора 18, а на его второй вход поступает сигнал Uy с выхода 16. В результате сравнения указанных сигналов на выходе 18 возникает сигнал U3 (фиг.4, д) с частотой 2f, который, проходя через ключи 24, 25 на входах формирователей импульсов ФИ2 (15) в блоках 12, 13, превращается в два противофазных сигнала U4 и U5 с длительностью τ2 и частотой f (фиг.4, е и фиг.4, ж). При этом на ФИ1 (14) в блоках 12, 13 поступают сигналы U1 и U2 с частотой f (фиг.4, а и фиг., 4б). В результате на выходах каждого из каналов управления 12 и 13 возникают по две последовательности импульсов разной длительности τ1 и τ2 (фиг.4, з - 4, л). В этом случае

τ1=T/2-Δt≈1/2f>τ2,

где Т=1/f - период частоты f, Δt<<τ1 - длительность импульса Uи, необходимая для исключения аварийного режима одновременной работы последовательно включенных силовых ключей (3, 4 и 5, 6), а также для разряда конденсатора в блоке 23 через ключ 22 и составляющая микросекунды. Длительность τ2 определяется сигналом Uy (точки N1 и N2 на фиг.4, г) и определяет выходное напряжение на нагрузке 9 (фиг.4, м).

В каждом канале передние фронты импульсов управления с выходов 14 и 15 совпадают, а задние - отличаются на величину τ0-Δt≈τ0, которая должна быть больше времени t1 спадания тока i в нагрузке до нуля. Ток i спадает через включенный силовой ключ, например 3, и диод 8 (или ключ 5 и диод 7) на фиг.4, м. Величина t1 определяется электромагнитной постоянной времени цепи нагрузки Tэ и равна

t1≈4Tэ=4L/R.

Ограничитель максимального выходного напряжения 20 обеспечивает ограничение максимального значения τ0, что исключает аварийный режим короткого замыкания в инверторе, для чего необходимо: τ0(Uу max)>t1.

Работа силовых ключей разъясняется на фиг.4, н.

Действующее значение напряжения на нагрузке 9 определяется формулой:

где τ2 - регулируемая длительность в секундах, f - частота в герцах.

Величина τ2 зависит от значения напряжения управления Uy

где Uп.m - максимальное напряжение «пилы».

Формула (2) справедлива при условии

что имеет место в данном случае, где а=1÷10 Гц.

Объединяя формулы (1) и (2), окончательно имеем:

где - относительная величина напряжения управления.

Так, при , что очевидно из фиг.4, м.

Следует отметить, что источник тактовых импульсов 11 может быть выполнен по различным схемам, одна из которых приведена на фиг.3, и выполнен на основе генератора синусоидальных колебаний 26 и двух компараторов 27, 28.

За счет определенного порога срабатывания компараторов на выходах «a», «x» имеем импульсы в соответствии с фиг.4.

Таким образом, в заявляемом устройстве за счет введенных в систему управления генератора пилообразных напряжений с частотой 2f, двухвходового компаратора, распределителя импульсов, ограничителя максимального выходного напряжения управляющего органа, а также упрощения вторых формирователей импульсов в каждом канале, а также оригинальной схемы их соединения достигается технический результат.

1. Низкочастотный преобразователь, содержащий однофазный мостовой инвертор напряжения, выполненный на выпрямителе, силовых ключах, например транзисторных и обратных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из источника противофазных тактовых импульсов с частотой f, управляющего органа, каналов управления силовыми ключами с формирователями импульсов управления, соединенными с управляющими цепями соответствующих силовых ключей однофазного мостового инвертора напряжения и управляющего органа, причем источник противофазных тактовых импульсов с частотой f выходами соединен с первыми формирователями импульсов в каждом канале управления, отличающийся тем, что в систему управления введены генератор пилообразных напряжений с частотой 2f, двухвходовый компаратор, распределитель импульсов, ограничитель максимального выходного напряжения управляющего органа, при этом источник противофазных тактовых импульсов выходами подсоединен к входам генератора пилообразных напряжений распределителя импульсов, выход генератора пилообразных напряжений соединен с первым входом двухвходового компаратора, второй вход которого подсоединен к выходу управляющего органа, при этом распределитель импульсов содержит, например, два ключа, выходы которых соединены с входами вторых формирователей импульсов в каждом канале управления, а к управляющему органу подсоединен ограничитель максимального выходного напряжения.

2. Низкочастотный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что однофазный мостовой инвертор напряжения содержит два обратных диода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления параллельно работающими на общую нагрузку статическими источниками, входящими в состав автономной системы генерирования электрической энергии, системы бесперебойного электропитания или системы электроснабжения при возможной несимметрии нагрузки.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано во вращающихся электрических машинах. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных системах электроснабжения для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока.

Изобретение относится к преобразовательной технике. .

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано для преобразования и регулирования энергии, потребляемой от источника постоянного тока, и передачи преобразованной энергии ее приемнику с использованием трансформаторной связи между цепями источника и приемника энергии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. .

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источнике тока или источнике напряжения. .

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источнике тока или источнике напряжения. .

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовым высоковольтным преобразователям и предназначено для использования в устройствах быстродействующего тиристорного автоматического ввода резервного источника питания (АВР), устройствах плавного пуска асинхронных и синхронных электродвигателей с напряжением 6; 10 и более кВ

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве зависимого многозонного инвертора на электроподвижном составе, получающем питание от контактной сети однофазного переменного тока

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии или систем гарантированного электропитания

Изобретение относится к силовому преобразованию

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано к качестве источника питания для установок индукционного нагрева и формирования тока для нагрева

Изобретение относится к электрическим тяговым системам транспортных средств, в частности к гребной электрической установке

Изобретение относится к устройству электропитания размещенного на морском дне изменяемого по числу оборотов привода, которое на стороне сети и на стороне нагрузки содержит соответствующие выпрямители (10, 12) переменного тока, которые на стороне постоянного напряжения посредством кабеля (44) постоянного тока электрически соединены между собой, причем выпрямитель (10) переменного тока стороны сети на суше связан с питающей сетью (8) энергоснабжения

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для формирования с первичной стороны трехфазного трансформатора 12-пульсного выпрямленного напряжения на его вторичной стороне

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании узлов управления инверторами, входящими в состав систем генерирования энергии переменного тока с жесткими требованиями по электромагнитной совместимости

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники

Наверх