СОГЛАСОВАННЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С НЕЯВНО ВЫРАЖЕННЫМ ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована при проектировании источников питания для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Полезная модель повышает надежность работы согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока.
Известен согласованный резонансный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, содержащий подключенные к входным выводам преобразователя частоты три симметричные группы встречно-параллельных управляемых вентилей с последовательными дросселями, соединенные в трехфазную звезду, нулевой вывод которой подключен к выходному выводу преобразователя частоты через коммутирующий конденсатор, и три конденсатора фильтра, соединенные в трехфазную звезду, второй выходной вывод преобразователя частоты подключен к нулевому выводу трехфазной звезды конденсаторов фильтра (Акодис М.М., Курашко Ю.И. Стабилизация напряжения в последовательных преобразователях частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока // Тез. докл. всесоюзной науч. технич. конф., посвящ. вентильным преобразователям частоты (схемам и коммутационным процессам), г.Свердловск, 1969. - С.50).
Недостатком согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, за счет обрыва тока последовательных дросселей, что может привести к выходу управляемых вентилей из строя, а также высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при коммутациях управляемых вентилей, что может привести к сбоям в системе управления.
Известен согласованный резонансный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, содержащий подключенные к входным выводам преобразователя частоты через магнитосвязанные дроссели три схемы на четырех управляемых вентилях, включенных по два встречно-последовательно анодами и катодами, соединенные параллельно, общие точки соединения схем на четырех управляемых вентилях подключены к выходным выводам преобразователя частоты (Теория работы бестрансформаторного преобразователя частоты с неявным звеном постоянного тока / И.И.Кантер, Н.П.Митяшин, В.В.Пятницын и др. // Тиристорные преобразователи частоты для индукционного нагрева металлов. Межвуз. науч. сб. трудов. 1977, №7. - С.83-91).
Недостатком согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями напряжений на управляемых вентилях, что может привести к выходу их из строя,
Известен согласованный резонансный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, содержащий подключенный к входным выводам преобразователя частоты выводами переменного тока трехфазный мост на управляемых вентилях, выводы постоянного тока которого соединены между собой через магнитосвязанные дроссели, общая точка соединения магнитосвязанных дросселей подключена к выходному выводу преобразователя частоты, второй выходной вывод преобразователя частоты подключен к нулевому выводу корпуса устройства (Kasahara H. Equivalent circuit of high frequency cycloconverter and its application. Electrical Engineering in Japan. 1981, Vol.101, No.6. - P.47-54).
Недостатком согласованного резонансного преобразователя частоты является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, высокими скоростями нарастания прямого напряжения и прямого тока управляемых вентилей, высокими уровнями электромагнитных
помех, возникающих при коммутациях, отсутствием ограничения тока короткого замыкания нагрузки.
Известен согласованный резонансный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, содержащий подключенные к входным выводам преобразователя частоты выводами переменного тока два трехфазных моста на управляемых вентилях, соединенные встречно-параллельно, общие выводы постоянного тока трехфазных мостов подключены к выходным выводам преобразователя частоты и зашунтированы компенсирующим конденсатором, средняя точка нагрузочной цепи соединена с нулевым выводом корпуса устройства (Окumа S., Kojima H., Sasaki I. A cycloconverter system with a high frequency of tank circuit for induction heating. Electrical Engineering in Japan. 1983, Vol.103, No.6. - P.65-70).
Указанный согласованный резонансный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, высокими скоростями нарастания прямого напряжения и прямого тока управляемых вентилей, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при коммутациях управляемых вентилей, отсутствием ограничений «раскачки» напряжений и токов элементов и управляемых вентилей при изменении электротехнологической нагрузки в широких пределах, отсутствием ограничения тока короткого замыкания нагрузки, относительной сложностью электрической схемы.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что согласованный резонансный преобразователь
частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока содержит подключенные к входным выводам преобразователя частоты выводами переменного тока два трехфазных моста на управляемых вентилях, соединенные встречно-параллельно, общие выводы постоянного тока трехфазных мостов подключены к выходным выводам преобразователя частоты через разделительные конденсаторы.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, что достигается снижением уровней перенапряжений на управляемых вентилях, снижением скоростей нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока управляемых вентилей, снижением уровней электромагнитных помех, возникающих при коммутациях, ограничением «раскачки» напряжений и токов при изменении нагрузки в широких пределах, ограничением тока при аварийных замыканиях в нагрузке преобразователя частоты, оптимальным устройством электрической схемы.
Повышение надежности работы согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме преобразователя частоты, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока являются существенными.
На рисунке приведена электрическая схема преобразователя частоты.
Согласованный резонансный преобразователь частоты содержит подключенные к входным выводам преобразователя частоты выводами переменного тока два трехфазных моста на шести управляемых вентилях соответственно 1-12, соединенные встречно-параллельно,
общие выводы постоянного тока трехфазных мостов подключены к выходным выводам преобразователя частоты через разделительные конденсаторы 13, 14. К выходным выводам преобразователя частоты подключается нагрузка 15.
Согласованный резонансный преобразователь частоты в установившемся режиме работает следующим образом. К входным выводам преобразователя частоты подключается трехфазный источник переменного напряжения питания. Частота первой гармоники выходного сигнала устройства в общем случае может быть выше частоты переменного напряжения питания более чем в 6 раз (работа на частоте меньшей частоты переменного напряжения питания не рассматривается). Импульсы управления на управляемые вентили 1, 3, 5, 7, 9, 11 и 2, 4, 6, 8, 10, 12 поступают поочередно с частотой, равной частоте выходного сигнала устройства. На каждом полупериоде частоты выходного сигнала преобразователя частоты включаются два вентиля условно прямого (1-6) или встречного мостов (7-12).
Ток через нагрузку 15 имеет колебательный характер. Выключение очередного управляемого вентиля 1-12 происходит в момент колебательного спада тока через управляемый вентиль 1-12 и нагрузку 15 до нулевого значения. Параметры элементов последовательного колебательного контура нагрузочной цепи (общая емкость разделительных конденсаторов 13, 14 и индуктивность нагрузки 15) выбираются из условия равенства или превышения его собственной частотой частоты основной гармоники выходного сигнала преобразователя частоты более чем в 2 раза (работа с более низкой собственной частотой последовательного колебательного контура нагрузочной цепи возможна, но не рассматривается).
Если линейное входное переменное напряжение, например, между первой фазой источника переменного напряжения питания (соединена с общей точкой соединения управляемых вентилей 1, 2 прямого моста и управляемых вентилей 7, 8 встречного моста) и третьей фазой (соединена с общей точкой соединения управляемых вентилей 5, 6 прямого
моста и управляемых вентилей 11, 12 встречного моста) условно положительной полярности является в данный момент времени наибольшим по модулю, а разделительные конденсаторы 13, 14 заряжены до напряжения условно отрицательной полярности (положительный потенциал на нижних обкладках конденсаторов), то подаются импульсы управления на управляемые вентили 1, 6 прямого моста. В нагрузке 15 формируется импульс тока условно положительной полярности. Ток протекает от входного вывода первой фазы к выводу третьей фазы по цепи: +-1-13-15-14-6--. Разделительные конденсаторы 13, 14 перезаряжается до напряжения условно положительной полярности, которое превышает напряжение питания (амплитуду линейного напряжения между первой и третьей фазой в анализируемый момент времени). После выключения управляемых вентилей 1, 6 включаются управляемые вентили 7, 12 встречного моста. При этом ток через нагрузку 15 протекает в противоположном направлении, частично разряжая разделительные конденсаторы 13, 14 по цепи: 13-7-+---12-14-15-13. В интервале проводимости управляемых вентилей 7, 12 управляемые вентили 1, 6 могут восстанавливать свои управляющие свойства (если используются управляемые вентили с неполной управляемостью), а часть электромагнитной энергии, накопленной в полях разделительных конденсаторов 13, 14, рекуперируется в фазы источника переменного напряжения питания. Возврат излишней электромагнитной энергии от элементов колебательного контура нагрузочной цепи обеспечивает стабилизацию режима работы преобразователя частоты на переменную электротехнологическую нагрузку 15. Разделительные конденсаторы 13, 14 на рассмотренном интервале работы управляемых вентилей 7, 12 остаются заряженными с положительной полярностью. При этом сумма напряжений на разделительных конденсаторах 13, 14 меньше модуля линейного напряжения между первой и третьей фазами (в момент выключения управляемых вентилей 7, 12). После частичного разряда разделительных конденсаторов 13, 14 и колебательного спада тока управляемых вентилей 7, 12 до нулевого значения управляемые вентили 7, 12 выключается. Далее включаются управляемые вентили
8, 11 непосредственно после выключения управляемых вентилей 7, 12, либо через интервал регулируемой паузы. Ток протекает от вывода первой фазы к входному выводу третьей фазы по цепи: +-8-14-15-13-11--. Ток через нагрузку 15 имеет условно отрицательное направление. Разделительные конденсаторы 13, 14 перезаряжается до напряжения условно отрицательной полярности, которое превышает по модулю линейное напряжение питания. После колебательного спада тока через управляемые вентили 8, 11 до нулевого значения включают управляемые вентили 2, 5. Ток протекает в противоположном (условно положительном) направлении, частично разряжая разделительные конденсаторы 13, 14 по цепи: 14-2-+---5-13-15-14. В интервале проводимости управляемых вентилей 2, 5 управляемые вентили 8, 11 могут восстанавливать свои управляющие свойства (если используются управляемые вентили с неполной управляемостью), а часть электромагнитной энергии, накопленной в полях разделительных конденсаторов 13, 14, рекуперируется в фазы источника переменного напряжения питания. Далее, если входное линейное переменное напряжение между первой и третьей фазами источника переменного напряжения питания является по-прежнему наибольшим по модулю, то снова подаются импульсы управления на управляемые вентили 1, 6, а затем, последовательно, на управляемые вентили 7, 12, 8, 11 и 2, 5.
С момента включения управляемых вентилей 1, 6 заканчивается частный цикл в работе преобразователя частоты (период выходного переменного сигнала).
Изменение уровней напряжений в фазах источника переменного напряжения питания приводит к циклическому переходу токов на следующих периодах выходного переменного сигнала последовательно на управляемые вентили 2, 3, 4, 5, 6, 1 прямого трехфазного моста и 8, 9, 10, 11, 12, 7 встречного трехфазного моста. Количество периодов выходного переменного сигнала, которое формируется на 1\6 части периода переменного напряжения питания, определяется соотношением частот выходного переменного сигнала и переменного напряжения питания. Электромагнитные процессы при циклической смене
управляемых вентилей 1-6 прямого трехфазного моста и 7-12 встречного трехфазного моста аналогичны рассмотренным выше.
Разделительные конденсаторы 13, 14 обеспечивают коммутационные процессы управляемых вентилей 1-12, а также ограничение тока в нагрузке 15 и управляемых вентилях 1-12 в рабочем и в аварийных режимах при частичном или глухом (полном) коротком замыкании.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы преобразователя частоты. Это достигается снижением уровней перенапряжений на управляемых вентилях, снижением скоростей нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока через них в интервалах коммутаций, снижением уровней электромагнитных помех, возникающих при коммутациях вентилей, ограничением тока через элементы преобразователя частоты в аварийных режимах, ограничением «раскачки» напряжений на элементах при изменении нагрузки в широких пределах, оптимизацией устройства силовой электрической схемы.
По сравнению с прототипом дополнительно повышается коэффициент полезного действия преобразователя частоты за счет уменьшения коммутационных потерь энергии в управляемых вентилях (снижение уровней коммутационных перенапряжений и начальных скоростей нарастания и спада тока при включениях и выключениях управляемых вентилей, рекуперация части энергии перенапряжений в нагрузку и источник переменного напряжения питания).
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части преобразователя частоты и уменьшена его стоимость за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой, а также более оптимального устройства силовой электрической схемы.