ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в качестве источника питания для индукционных нагревателей.
Известен преобразователь частоты, содержащий мостовой полностью управляемый выпрямитель, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, а выходные выводы зашунтированы конденсатором и последовательной цепью, содержащей дроссель фильтра, разделительный конденсатор и выходные выводы преобразователя частоты, общая точка соединения дросселя фильтра и разделительного конденсатора соединена через управляемый вентиль, включенный в прямом направлении, зашунтированный встречным диодом, с вторым выходным выводом выпрямителя (А.с. 1830641 СССР, МКИ Н05В 6\06. Устройство для индукционного нагрева \ Дзлиев С.В., Силкин Е.М., Тазихин С.Н. - Заявл. 01.10.90, Опубл. 30.07.93., БИ №28).
Недостатком преобразователя частоты является низкая надежность работы на индукционный нагреватель, что обусловлено отсутствием защиты при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя, а также при срывах инвертирования.
Известен преобразователь частоты, содержащий мостовой полууправляемый выпрямитель, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, а выходные выводы зашунтированы последовательной цепью, содержащей дроссель фильтра, второй дроссель фильтра, разделительный конденсатор и выходные выводы преобразователя частоты, дроссели фильтра имеют магнитную связь и включены согласно, конденсатор, общая точка соединения дросселей соединена через конденсатор с вторым выходным выводом выпрямителя, общая точка соединения второго дросселя фильтра и разделительного конденсатора соединена через управляемый вентиль, включенный в прямом направлении, зашунтированный встречным диодом, с вторым выходным выводом
выпрямителя (А.с. 1778894, СССР, МКИ Н02М 5\45. Преобразователь переменного тока для питания индуктора \ Дзлиев С.В., Силкин Е.М., Тазихин С.Н. - Заявл. 01.10.90, Опубл. 30.11.92.03., БИ №44).
Недостатком преобразователя частоты является низкая надежность работы на индукционный нагреватель, что обусловлено отсутствием защиты при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя, а также при срывах инвертирования.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является преобразователь частоты, содержащий мостовой полууправляемый выпрямитель, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, а выходные выводы зашунтированы последовательной цепью, содержащей дроссель фильтра, разделительный конденсатор и выходные выводы преобразователя частоты, общая точка соединения дросселя фильтра и разделительного конденсатора соединена через управляемый вентиль, включенный в прямом направлении, зашунтированный встречным диодом, с вторым выходным выводом выпрямителя (А.с. 1821945, СССР, МКИ Н05В 6\06. Устройство для индукционного нагрева \ Силкин Е.М., Дзлиев С.В., Тазихин С.Н. - Заявл. 15.10.90, Опубл. 15.06.93., БИ №22).
Указанный преобразователь частоты рассматривается в качестве прототипа полезной модели.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы, что обусловлено недостаточно эффективной защитой преобразователя частоты при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя, высокими скоростями нарастания тока и уровнями коммутационных потерь при включении управляемого вентиля, включении и выключении встречного диода, высокими уровнями токов и напряжений на управляемом вентиле и встречном диоде, отрицательным влиянием преобразователя частоты на питающую сеть,
повышенной вероятностью сбоев в системе управления преобразователя частоты и срывов инвертирования.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы преобразователя частоты, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что преобразователь частоты содержит мостовой полностью управляемый выпрямитель, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, а выходные выводы зашунтированы резистором, последовательной цепью, содержащей два конденсатора, второй последовательной цепью, содержащей два ограничителя напряжения, общие точки соединения конденсаторов и ограничителей напряжения соединены с корпусом преобразователя частоты, и третьей последовательной цепью, содержащей дроссель фильтра, разделительный конденсатор, демпферный дроссель, выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированные компенсирующим конденсатором, второй демпферный дроссель, второй разделительный конденсатор и второй дроссель фильтра, дроссели фильтра имеют магнитную связь и включены согласно, общие точки соединения дросселей фильтра и разделительных конденсаторов соединены через четвертую последовательную цепь, содержащую дроссель насыщения, управляемый вентиль, включенный в прямом направлении, зашунтированный встречным диодом, и второй дроссель насыщения, пятую последовательную цепь, шунтирующую управляемый вентиль, содержащую второй резистор, два защитных конденсатора и третий резистор, шестую последовательную цепь, шунтирующую управляемый вентиль, содержащую два ограничителя напряжения, общие точки соединения защитных конденсаторов и ограничителей напряжения соединены с корпусом преобразователя частоты.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы преобразователя частоты, что достигается эффективной защитой его
от перегрузок и коротких замыканий индукционного нагревателя за счет конденсаторной развязки входных и выходных выводов, возможностью осуществления эффективной сеточной защиты с переводом мостового полностью управляемого выпрямителя в режим инвертора ведомого сетью, снижением скоростей нарастания токов управляемого вентиля и встречного диода и снижением уровней коммутационных потерь, токов и напряжений на управляемом вентиле и встречном диоде, улучшением характеристик по электромагнитной совместимости, снижением вероятности сбоев в системе управления преобразователем частоты и срывов инвертирования.
Повышение надежности работы преобразователя частоты 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 преобразователя частоты являются существенными.
На рисунке приведена электрическая схема преобразователя частоты.
Преобразователь частоты (трехфазное исполнение) содержит мостовой полностью управляемый выпрямитель на шести вентилях 1-6, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, а выходные выводы зашунтированы резистором 7, последовательной цепью, содержащей два конденсатора 8, 9, второй последовательной цепью, содержащей два ограничителя напряжения 10, 11, общие точки соединения конденсаторов и ограничителей напряжения соединены с корпусом преобразователя частоты, и третьей последовательной цепью, содержащей дроссель фильтра 12, разделительный конденсатор 13, демпферный дроссель 14, выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированные компенсирующим конденсатором 15, второй демпферный дроссель 16, второй разделительный конденсатор 17 и второй дроссель фильтра 18, дроссели фильтра имеют магнитную связь и включены согласно, общие точки соединения
дросселей фильтра и разделительных конденсаторов соединены через четвертую последовательную цепь, содержащую дроссель насыщения 19, управляемый вентиль 20, включенный в прямом направлении, зашунтированный встречным диодом 21, и второй дроссель насыщения 22, пятую последовательную цепь, шунтирующую управляемый вентиль, содержащую второй резистор 23, два защитных конденсатора 24, 25 и третий резистор 26, шестую последовательную цепь, шунтирующую управляемый вентиль, содержащую два ограничителя напряжения 27, 28, общие точки соединения защитных конденсаторов и ограничителей напряжения соединены с корпусом преобразователя частоты. Нагрузка 29 подключена к выходным выводам преобразователя частоты.
Преобразователь частоты в установившемся режиме работает следующим образом. Входные выводы преобразователя частоты подключаются к трехфазному источнику переменного напряжения питания (сети). Трехфазный мост (выпрямитель) на управляемых вентилях 1-6 (в случае использования однофазного источника переменного напряжения сети применяется однофазный полностью управляемый выпрямитель) преобразует переменное напряжение сети в знакопостоянное напряжение, которое прикладывается к выводам третьей последовательной цепи, содержащей дроссель фильтра 12, разделительный конденсатор 13, демпферный дроссель 14, выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированные компенсирующим конденсатором 15, второй демпферный дроссель 16, второй разделительный конденсатор 17 и второй дроссель фильтра 18. Дроссели фильтра 12, 18 имеют магнитную связь и включены согласно для увеличения суммарной индуктивности. Суммарная индуктивность дросселей фильтра 12, 18 выбирается из условия качественного сглаживания входного тока третьей последовательной цепи (входного тока инвертирующей части преобразователя частоты), что обеспечивается превышением общим индуктивным сопротивлением дросселей фильтра 12, 18 на частоте работы преобразователя эквивалентного сопротивления нагрузочного колебательного контура, образованного
индукционным нагревателем 29 и компенсирующим конденсатором 15, более чем в три раза. Импульсы управления на управляемый вентиль 20 подаются с частотой, равной выходной частоте преобразователя и собственной частоте нагрузочного колебательного контура (парарезонансное управление), образованного индукционным нагревателем 29 и компенсирующим конденсатором 15. Работа преобразователя на собственной частоте нагрузочного колебательного контура (элементы 15, 29) позволяет обеспечить близкие к оптимальным условия для коммутации управляемого вентиля 20 и наилучшее его использование по мощности. Возможна также работа на второй или четвертой гармонике (собственная частота нагрузочного колебательного контура, образованного индукционным нагревателем 29 и компенсирующим конденсатором 15, в два или четыре раза больше частоты подачи импульсов управления на управляемый вентиль 20), Однако в этом случае использование управляемого вентиля 20 по мощности ухудшается. Режим умножения частоты представляет собой фактически работу инвертирующей части преобразователя в режиме генератора ударного возбуждения и его применение является оправданным только при высокой добротности нагрузочного колебательного контура (15, 29). Изменением угла опережения (работа преобразователя на частоте превышающей собственную частоту нагрузочного колебательного контура) возможно, регулировать уровень выходного переменного напряжения. Однако при этом возрастает уровень выходного тока преобразователя частоты и загрузка элементов по току и напряжению. Возрастает и уровень энергии, накапливаемой реактивными элементами преобразователя частоты за период выходного напряжения, что приводит к снижению энергетических характеристик. Параметры элементов преобразователя частоты 13-17, 19, 22, 29 выбираются из условия обеспечения естественного спада тока управляемого вентиля 20 за половину периода выходного напряжения. Каждое очередное включение управляемого вентиля 20 при переходе напряжения на компенсирующем конденсаторе 15 в отрицательную область значений
(+ на нижней по схеме обкладке конденсатора 15) формирует один период выходного переменного напряжения на нагрузочном колебательном контуре 15, 29. Собственная частота эквивалентного последовательного контура, образованного последовательными цепями из элементов 13-17, 19-22 и 21, 29 выше собственной частоты нагрузочного колебательного контура 15, 29. Ток через управляемый вентиль 20 изменяется по колебательному закону и обеспечивается естественное выключение управляемого вентиля 20. После выключения управляемого вентиля 20 включается встречный диод 21 и ток через нагрузочный колебательный контур 15, 29 протекает в обратном направлении. Дроссели фильтра 12, 18 предотвращают рост выходного тока мостового полностью управляемого выпрямителя в интервале проводимости управляемого вентиля 20. Далее в работе преобразователя частоты формируется интервал паузы (не работают управляемый вентиль 20 и встречный диод 21). Разделительные конденсаторы 13, 17 третьей последовательной цепи в интервале паузы заряжаются входным током инвертирующей части преобразователя частоты (током дросселей фильтра 12, 18). Нагрузочный колебательный контур 15, 29 в интервале паузы также питается квазипостоянным током дросселей фильтра 12, 18. Пауза в работе преобразователя частоты заканчивается в момент включения управляемого вентиля 20 при переходе напряжения на компенсирующем конденсаторе 15 в отрицательную область значений (или ранее момента перехода при работе с углами опережения). Далее электромагнитные процессы в преобразователе частоты повторяются.
Конденсаторы 8, 9 последовательной цепи и ограничители напряжения 10, 11 второй последовательной цепи ограничивают перенапряжения на выходных выводах мостового полностью управляемого выпрямителя при коммутациях управляемых вентилей 1-6, а также снижают уровень электромагнитных помех, обусловленных скачкообразными изменениями токов и напряжений выпрямительной части преобразователя частоты. Эффективное снижение электромагнитных помех и симметрия в работе мостового полностью
управляемого выпрямителя обеспечивается соединением общих точек конденсаторов 8, 9 и ограничителей напряжения 10, 11 с корпусом преобразователя частоты. Резистор 7 устанавливается с целью минимальной нагрузки полностью управляемого выпрямителя во всех режимах работы.
Для ограничения начальных скоростей нарастания и спада токов управляемого вентиля 20 и встречного диода 21 используются дроссели насыщения 19, 22.
Для защиты управляемого вентиля 20 и встречного диода 21 от перенапряжений, возникающих при выключении встречного диода 21, и снижения уровней электромагнитных помех в схеме преобразователя частоты устанавливаются пятая (элементы 23-26) и шестая (элементы 27, 28) последовательные цепи.
Емкость разделительных конденсаторов 13, 17 имеет достаточную величину, обеспечивающую сравнительно малую пульсацию напряжения на входных выводах постоянного тока инвертирующей части преобразователя частоты. Если разделительные конденсаторы 13, 17 имеют суммарную емкость, значительно превышающую емкость компенсирующего конденсатора 15 (в пять и более раз) для стабилизации выходного напряжения преобразователя частоты применим способ управления, обеспечивающий постоянное равенство паузы в работе инвертирующей части интервалу проводимости управляемого вентиля 20 для всех возможных режимов.
Трехфазный мост на управляемых вентилях 1-6 работает в режиме полностью управляемого выпрямителя (источника постоянного тока) с фазовым регулированием. Фазовое регулирование выпрямителя обеспечивает требуемое изменение значения питающего (знакопостоянного) напряжения на входе инвертирующей части преобразователя частоты.
Скачкообразное увеличение угла управления выпрямителя до 120 град.эл. переводит полностью управляемый выпрямитель, работающего на нагрузку преобразователя
частоты, в режим инвертора ведомого сетью. При этом входное постоянное напряжение инвертирующей части преобразователя частоты снижается, а энергия, накопленная в электромагнитном поле дросселей фильтра 12, 18, рекуперируется в питающую сеть. Перевод регулируемого выпрямителя в режим инвертора ведомого сетью осуществляется при каждом выключении преобразователя частоты, а также в аварийных ситуациях, в том числе при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя 29. Регулирование значения постоянного напряжения на входе инвертирующей части преобразователя частоты обеспечивает возможность стабилизации уровня напряжения на выходе преобразователя частоты и уровней прямых напряжений на управляемом вентиле 20 и обратных напряжений на встречном диоде 21.
Управляемыми вентилями 1-6 трехфазного моста выпрямителя также может осуществляться имитация работы «нулевого» вентиля при углах управления более 90 град.эл., что позволяет повысить коэффициент мощности при регулировании и снизить пульсацию выпрямленного (знакопостоянного) напряжения на входе инвертирующей части преобразователя и разделительных конденсаторах 13, 17. Для имитации работы «нулевого» вентиля при больших углах управления включаются соответствующие вентили, смежные с основными работающими вентилями в плечах трехфазного моста полностью управляемого выпрямителя.
В качестве управляемых вентилей 1-6 трехфазного моста полностью управляемого выпрямителя в преобразователе частоты могут быть использованы однооперационные (SCR) тиристоры. В качестве управляемого вентиля 20 четвертой последовательной цепи инвертирующей части преобразователя применяются как однооперационные тиристоры или реверсивно-включаемые динисторы, так и полностью управляемые вентили (транзисторы, запираемые тиристоры), в том числе вентили, не имеющие обратной блокирующей
способности. Встречный диод 21, в частности, может быть выполнен на основе диода Шоттки.
В качестве ограничителей напряжения 10, 11 и 27, 28 используются, в частности, кремниевые симметричные ограничители напряжения.
Дроссели насыщения 19, 22 реализуются, например, в виде охватывающих соединительные шины сплошных (замкнутых) ферромагнитных сердечников, не имеющих зазоров из неферромагнитного материала. Использование двух дросселей насыщения 19, 22 позволяет оптимизировать конструкцию преобразователя частоты.
Функцию демпферных дросселей 14, 16 полностью или частично может выполнять индуктивность соединительных шин преобразователя частоты с нагрузкой 15, 29.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы преобразователя частоты. Это достигается снижением уровней напряжений на управляемом вентиле и встречном диоде за счет стабилизации, в частности, регулированием выпрямителя, снижением скорости нарастания прямого тока управляемого вентиля и встречного диода за счет колебательного характера его изменения в нагрузочной цепи и действия дросселей насыщения, эффективной защитой от короткого замыкания индукционного нагревателя за счет действия симметричной емкостной развязки разделительными конденсаторами, ограничивающей ток через элементы преобразователя частоты, а также возможностью перевода полностью управляемого выпрямителя в режим инвертора ведомого сетью при его выключении. Улучшается электромагнитная совместимость преобразователя частоты с питающей сетью и снижается уровень электромагнитных помех за счет схем соединения с корпусом и действия конденсаторов последовательной цепи, цепей из второго, третьего резистора и защитных конденсаторов пятой последовательной цепи, а также ограничителей напряжения второй и шестой последовательных цепей. Резистор в схеме преобразователя частоты обеспечивает минимальную нагрузку полностью управляемого выпрямителя
и предотвращает возможные несанкционированные выключения управляемых вентилей моста выпрямителя при его работе из-за влияния инвертирующей части. Возможность регулирования выпрямленного напряжения полностью управляемого выпрямителя при пуске преобразователя частоты позволяет оптимизировать пуск и исключить перегрузки элементов по току и перенапряжения, обусловленные слабым демпфированием системы с индукционным нагревателем. Исключаются сбои в системе управления преобразователя частоты и срывы инвертирования.
По сравнению с прототипом, дополнительно, повышается коэффициент полезного действия преобразователя частоты за счет уменьшения коммутационных потерь энергии в управляемом вентиле (снижение уровней коммутационных перенапряжений и начальных скоростей нарастания и спада тока при включениях и выключениях управляемого вентиля и встречного диода, рекуперация части энергии перенапряжений в разделительные конденсаторы и источник 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 управляемого вентиля и встречного диода с пониженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой, а также более оптимального устройства силовой электрической схемы.
По сравнению с прототипом, дополнительно, расширяется область применения полезной модели за счет обеспечения регулирования электрического режима работы и (или) стабилизации выходных электрических параметров преобразователя частоты и индукционного нагревателя с требуемым быстродействием.