Силовой преобразователь
POWER CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразователям энергии, в частности, силовым преобразователям, которые могут быть использованы для многих целей, в том числе для ультразвуковых технологий. В технологических установках для ультразвуковой обработки (УЗО) используются пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи электрических колебаний в механические деформации среды с обрабатываемыми изделиями.
Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) широко применяются в промышленности и научных исследованиях как исполнительные органы в различных технологических процессах. В машиностроении, например, это: очистка и мойка изделий, резание, микросварка, пайка, формообразование деталей из твердых или хрупких материалов, упрочнение режущего инструмента, приведение в действие ударного инструмента. Кроме того ПЭП широко используется в геологоразведке и нефтедобыче. Обычно ПЭП представляет собой пакет из пьезокерамических шайб диаметром от 20 до 120 мм и толщиной от 3 до 10 мм, армированный металлическими накладками. При возбуждении пьезопакета электрическими колебаниями в силу вторичного пьезоэффекта происходят его изгибы и возникают механические колебания [1].
В технологических установках, особенно там, где используются ударные воздействия на инструмент, происходит резкое изменение нагрузки ПЭП. В этом случае наиболее ярко проявляются его специфические особенности. При этом питающий силовой преобразователь (СП) постоянного напряжения в электрические колебания будет работать в режимах от холостого хода до короткого замыкания, что сопровождается возникновением либо перенапряжений, либо сверхтоками в его схеме. В связи с вышеизложенным можно определить ряд требований к СП, питающему ПЭП в таких экстремальных режимах:
1. Синусоидальность формы тока.
2. Наличие быстродействующей защиты от сверхтоков и перенапряжений.
3. Создание СП, способного работать при резких изменениях величины нагрузки.
Поставленная задача может быть решена, по нашему мнению, созданием СП, способного работать как при закороченной нагрузке (КЗ), так и на холостом ходу (без перенапряжения в схеме). В этой связи рассмотрим следующие варианты. Известен силовой преобразователь (патент на полезную модель №134717), состоящий из входного выпрямителя, инвертора на управляемых полупроводниковых приборах с резонансным колебательным контуром с подключенной к нему нагрузкой, причем этот колебательный контур выполнен в виде двух взаимосвязанных последовательного и параллельного L1C1 и L1C2 контуров с одинаковыми по величине емкостями конденсаторов, что обеспечивает стабилизацию выходного напряжения на нагрузке.
Недостатком такой схемы является то, что эффект стабилизации гармонического напряжения возникает только на уровне величины питающего СП напряжения. Это известно из разложения на гармоники прямоугольного напряжения в ряд Фурье [2], а это ограничивает выходную мощность силового преобразователя.
Известен силовой преобразователь, который содержит входной выпрямитель, фильтр, инвертор на транзисторах с двухконтурным фильтром (патент на изобретение №153221), причем последовательный колебательный контур содержит конденсатор переменной емкости. Это позволяет регулировать величину выходных напряжений и мощности в нагрузке путем изменения величины емкости последовательного конденсатора. Естественно, что для разных значений сопротивления нагрузки уровни Uнм (С2) и мощности в ней Рнм (С2) различны. Так при изменении величины С2 в 7,5 раз, Uнм увеличилось в 9 раз, а мощность в нагрузке Рнм приблизительно в 52 раза (эти значения приведены для сопротивления нагрузки Rн =100 Ом).
Таким образом, недостатком этого известного устройства является невозможность регулирования уровня стабильного выходного напряжения на нагрузке, при изменении ее сопротивления. Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается в транзисторном инверторе СП для получения синусоидального напряжения выполнить последовательно-параллельный колебательный контур с переменным параллельным нагрузке конденсатором. Для этого вместо одиночного конденсатора включается блок параллельно соединенных конденсаторов, причем для регулирования уровня величины стабильного выходного напряжения инвертора эти конденсаторы коммутируются ключами. Схема транзисторного инвертора с таким колебательным контуром приведена на Фиг.1.
Рисунок на Фиг. 1 включает следующие позиции:
– стабилизированный источник питания 1,
– транзисторный мост 2-5;
– блок управления 6 этими транзисторами;
– последовательно-параллельный колебательный контур состоящий из дросселя 7, последовательного конденсатора 8, и параллельного конденсатора 9, параллельно которому подсоединен блок конденсаторов 9-1, 9-2, 9-n ;
– коммутирующие ключи 10-1, 10-2, 10-n, для подключения требуемого конденсатора из блока;
– нагрузка 11.
Устройство работает следующим образом.
Постоянное стабильное по величине напряжение подается на одну диагональ моста из четырех транзисторов 2-5. На затворы этих транзисторов подаются управляющие сигналы из блока управления 6. При попарно-перекрестной коммутации транзисторов 2, 5 и 3, 4 на другой диагонали моста возникает переменное напряжение прямоугольной формы с амплитудой, равной напряжению источника питания 1. Для получения синусоидального напряжения на нагрузке 11 необходимо применить резонансный колебательный контур.
При исследовании математической модели схемы замещения (Фиг.1) получены временные и параметрические зависимости. На Фиг.2 и Фиг.3 приведены временные зависимости выходного синусоидального напряжения СП  при различных величинах сопротивления нагрузки 11 (нижние кривые Фиг.2 и Фиг.3), параметрические зависимости выходного напряжения и входного постоянного напряжения СП от сопротивления нагрузки 11 (верхние кривые Фиг.2 и 3). На Фиг.3 величина емкости конденсатора 9 в десять раз больше чем на Фиг.2, а выходное напряжение СП увеличилось в три раза.
Проведенные исследования показали, что с увеличением емкости конденсатора 9 увеличивается и напряжение на нагрузке 11. Это напряжение остается стабильным при изменении сопротивления нагрузки в большом диапазоне при неизменном входном напряжении. Таким образом, имеется возможность регулировать уровень  стабильного выходного напряжения на нагрузке, при изменении ее сопротивления.
Источники информации
1. Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой обработки. Научное издание. – СПб.: Андреевский издательский дом, 2005. – 166 с.
2. Основы радиоэлектроники: Учеб. пособие для вузов / Ю.И. Волощенко и др.; под ред. Г.Д. Петрухина. – М.: Изд-во МАИ, 1993. – 415 с.