ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в автономных системах электроснабжения авиационно-космических бортовых и наземных комплексов, а также в ветро- и топливоэнергетических установках электропитания.
Известен импульсный преобразователь частоты (электронный балласт для питания газоразрядных ламп), содержащий мостовой выпрямитель с корректором коэффициента мощности, сглаживающий реактор, четырехключевой электронный мост, шунтирующие обратные диоды, выпрямительные диоды, группу конденсаторов, балластный дроссель и схему управления с блоком управления и датчиками входных и выходных токов и напряжений в цепях обратных связей (Патент на полезную модель №89909, Электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп. Авторы: Резников С.Б., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Кабелев Б.В., Парфенов Е.В., Корнилов А.Б., Гуренков Н.В. Бюлл. №35 от 20.12.2009 г.). Он позволяет преобразовывать низкочастотное сетевое напряжение в переменное повышенной частоты.
К недостатком указанного импульсного преобразователя частоты (аналога) относятся узкое функциональное назначение, а именно - неспособность питания потребителей регулируемым напряжением и током произвольно заданной формы в соответствии с эталонным сигналом, в частности - синусоидальной, а также низкая надежность устройства из-за наличия цепей для сквозных сверхтоков при несанкционированных (от помех в блоке управления) одновременных включениях двух ключей одной двухключевой стойки моста и связанных с ними тепловых коммутационных потерь, помехоизлучений и отказов и кроме того из-за низкой аварийной живучести, определяемой неработоспособностью устройства при отказе одного из ключей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является импульсный преобразователь частоты (прототип), содержащий «m»-фазный выпрямитель, балластные дроссели, импульсный корректор мощности, двухконденсаторную стойку с электролитическими конденсаторам, четыре электронных ключа с обратными диодами, трансформатор и схему управления с цепями обратных связей по токам и напряжениям (Полезная модель №83166, Электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядных ламп. Авторы: Резников С.Б., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Кабелев Б.В., Парфенов Е.В., Корнилов А.Б., Гуренков Н.В. Бюлл. №14 от 20.05.2009 г).
К основному недостатку указанного импульсного преобразователя частоты (прототипа) относятся его узкие функциональные возможности, а именно - неспособность питания потребителей регулируемым напряжением или током произвольно заданной формы, в частности - синусоидальной. Это не позволяет использовать указанный преобразователь в качестве преобразователя напряжения нестабильной (плавающей) частоты в синусоидальное напряжение стабильной частоты, а также в качестве компенсатора реактивной мощности в автономных системах генерирования с магистральным асинхронным генератором.
Дополнительным недостатком известного преобразователя частоты (прототипа) является его низкая надежность, в частности - термостойкость, безотказность и срок службы из-за использования в его составе в качестве энергоемких фильтров электролитических конденсаторов.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение питания потребителей регулируемым напряжением или током произвольно заданной формы, в частности - синусоидальной.
Дополнительным результатом предложения является повышение надежности устройства за счет исключения нетермостойких, ненадежных и недолговечных электролитических конденсаторов.
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в импульсный преобразователь частоты, содержащий «m»-фазный выпрямитель, балластные дроссели, импульсный корректор коэффициента мощности, две двухконденсаторные стойки, четыре однонаправленных электронных ключа, зашунтированных каждый соответствующим обратным диодом, «m» фазных входных выводов и нулевой входной вывод устройства для подключения к «m»-фазному источнику переменного тока, резервные входные выводы устройства для подключения резервного источника постоянного тока, подключенные к выводам постоянного тока выпрямителя, выходные выводы устройства для подключения нагрузки переменного тока, а также схему управления с источником эталонных сигналов, с блоком управления, датчиками входных и выходных напряжений и датчиками входных и выходных токов, установленными в ее цепях обратных связей, причем управляющие выводы корректора коэффициента мощности и электронных ключей подключены к выходным выводам блока управления, а сигнальные выводы датчиков напряжений и токов - к его входным выводам, ВВЕДЕНЫ четыре выпрямительных диода четыре дроссельные обмотки, реактор и два двунаправленных электронных ключа, а конденсаторные стойки образуют четырехплечевой емкостной мост, каждое плечо которого зашунтировано соответствующей цепью из последовательно между собой соединенных электронного ключа и дроссельной обмотки, причем дроссельные обмотки своими первыми выводами попарно соединены друг с другом, а вторыми выводами каждой пары подключены к разноименным первым силовым выводам электронных ключей, фазные входные выводы устройства через балластные дроссели подключены к выводам переменного тока выпрямителя, выводы постоянного тока которого подключены к соответствующим парам одноименных вторых силовых выводов электронных ключей, а соединенные между собой первые выводы каждой пары дроссельных обмоток подключены к соответствующему выходному выводу устройства, причем к одному из них - через первый двунаправленный электронный ключ и последовательно с ним соединенный реактор, зашунтированный вместе с указанными выходными выводами вторым двунаправленным электронным ключом через двухпозиционный переключатель, при этом управляющие выводы обоих ключей подключены к дополнительным выходным выводам, ВВЕДЕННЫМ в блок управления, и БЛАГОДАРЯ тому, что блок управления выполнен с возможностью импульсной модуляции сигналов на его дополнительных выходных выводах в зависимости от рассогласования сигналов на сигнальных выводах датчиков выходных напряжений и токов в цепях обратных связей схемы управления и соответствующих эталонных сигналов, а также БЛАГОДАРЯ тому, что корректор коэффициента мощности состоит из «m» двунаправленных модуляторных электронных ключей, включенных в «звезду» между выводами переменного тока выпрямителя и нулевым входным выводом устройства, который подключен к одному из его выходных выводов через съемную проводную перемычку, и кроме того БЛАГОДАРЯ тому, что каждая пара дроссельных обмоток, соединенных между собой через последовательно-встречно включенные электронные ключи, выполнена с общим для них магнитопроводом и с их встречным включением относительно направлений проводимостей этих ключей.
Проведенные экспериментальные исследования на макете предложенного устройства и его компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного внедрения.
На фиг. представлена принципиальная силовая схема предлагаемого импульсного преобразователя частоты.
Импульсный преобразователь частоты содержит «m»-фазный выпрямитель 1, балластные дроссели 2, импульсный корректор коэффициента мощности 3, две двухконденсаторные стойки 4-5 и 6-7, четыре однонаправленных электронных ключа 8, 9, 10, 11 с шунтирующими обратными диодами 12, 13, 14, 15, «m» фазных входных выводов 16 и нулевой входной вывод 17 устройства для подключения к «m»-фазному источнику переменного тока, резервные входные выводы 18, 19 устройства для подключения резервного источника постоянного тока, выходные выводы 20, 21 устройства для подключения нагрузки переменного тока, а также схему управления с источником эталонных сигналов, с блоком управления 22, датчиками 23, 24 входных и выходных напряжений и датчиками 25, 26, 27 входных и выходных токов в цепях обратных связей. Устройство имеет также четыре выпрямительных диода 28, 29, 30, 31, четыре дроссельные обмотки 32, 33, 34, 35, реактор 36, два двунаправленных электронных ключа 37, 38 и съемную проводную перемычку 40.
Управляющие выводы корректора коэффициента мощности 3 и электронных ключей 8, 9, 10, 11 подключены к выходным выводам блока управления, а сигнальные выводы датчиков напряжений и токов 23, 24, 25, 26, 27 - к его входным вводам. Конденсаторные стойки 4-5 и 6-7 образуют четырехплечевой емкостной мост, каждое плечо которого зашунтировано соответствующей цепью из последовательно между собой соединенных электронного ключа и дроссельной обмотки. Дроссельные обмотки 32, 33 и 34, 35 своими первыми выводами попарно соединены друг с другом, а вторыми выводами каждой пары подключены к разноименным первым силовым выводам электронных ключей 8-9 10-11. Фазные входные выводы 16 устройства через балластные дроссели 2 подключены к выводам переменного тока выпрямителя 1, выводы постоянного тока которого подключены к соответствующим парам одноименных вторых силовых выводов электронных ключей 8, 10 и 9, 11. Соединенные между собой первые выводы каждой пары дроссельных обмоток 3, 33 и 34, 35 подключены к соответствующему выходному выводу 20 и 21 устройств, причем к одному из них (21) - через первый двунаправленный электронный ключ 37 и последовательно с ним соединенный реактор 36, зашунтированный вместе с указанными выходными выводами 20, 21 вторым двунаправленным электронным ключом 38 через двухпозиционный переключатель 39. Управляющие выводы обоих ключей 37 и 38 подключены к дополнительным выходным выводам блока управления 22.
Корректор коэффициента мощности 3 состоит из «m» (m=3) двунаправленных модуляторных электронных ключей, включенных в «звезду» между выводами переменного тока выпрямителя 1 и нулевым входным выводом 17 устройства, который подключен к одному из его выходных выводов (20) через съемную проводную перемычку 40.
Каждая пара дроссельных обмоток 32-34 и 33-35, соединенных между собой через последовательно-встречно включенные электронные ключи 8-10 и 9-11, выполнена с общим для них магнитопроводом и с их встречным включением относительно направлений проводимостей этих ключей (на фиг. Отмечены начала обмоток в каждой паре).
Блок управления 22 выполнен с возможностью импульсной модуляции сигналов на его дополнительных выходных выводах в зависимости от рассогласования сигналов на сигнальных выводах датчиков выходных напряжений и токов в цепях обратных связей схемы управления и соответствующих эталонных сигналов.
Импульсный преобразователь частоты работает следующим образом.
Входные выводы 16, 17 устройства подключают к источнику питания переменного тока, например - к трехфазной сети, а выходные выводы 20, 21 - к нагрузке переменного тока регулируемой частоты, например - к фазной обмотке якоря электродвигателя.
Резервные входные выводы 18, 19 могут быть подключены к резервному источнику постоянного тока, например - к аккумуляторной батарее или сети постоянного тока.
Если требуется обеспечить жесткую внешнюю вольтамперную характеристику преобразователя, соответствующую так называемому «источнику напряжения», то с помощью блока управления 22 обеспечивают постоянно-открытые состояния двунаправленных ключей 37 и 38. При этом переключатель 39 находится в положении, показанном на фиг. и соответствующем шунтированию ключом 38 реактора 36.
На выводах постоянного тока выпрямителя 1 вне зависимости от подключения резервного источника к выводам 18, 19 появляется постоянное выпрямленное напряжение, сглаживаемое двумя параллельно соединенными двухконденсаторными стойками 4-5 и 6-7 и разделяемое в каждой стойке на два последовательно-слагаемых напряжения. Эти напряжения взаимно-противофазно варьируется с помощью обратимых дозирующих конверторов, образуемых парами однонаправленных ключей 8-9 и 10-11 и парами соответствующих дроссельных обмоток 32-33 и 34-35. Каждый конвертор благодаря широтно-импульсному регулированию периодически осуществляет обратимую передачу импульсно-дозированной энергии из одного конденсатора стойки в другой и обратно, не меняя при этом их суммарного напряжения и периодически изменяя по синусоидальному закону разность потенциалов средних выводов конденсаторных стоек, а, следовательно, и напряжение на выходных выводах 20, 21 устройства. Например, если нагрузка в цепи 20-21 отключена, то при очередном включении ключа 8 при выключенном ключе 9 происходит нарастание тока в дроссельной обмотке 32 по цепи 4-8-32-4 и по цепи 18-8-32-5-19. После выключения ключа 8 в соответствии с электротехническим законом коммутации о непрерывности потокосцепления (и электромагнитной энергии) этот ток спадает по цепи 32-5-29-32. Таким образом, доза энергии из конденсатора 4 и из источника питания передается конденсатору 5, благодаря чему первый разделяется, а второй заряжается, повышая потенциал вывода 20. Аналогично указанный конвертор при модуляции ключа 9 через обмотку 33 передает дозированную энергию обратно - от конденсатора 5 и от источника питания конденсатору 4. При подключенной к выводам 20, 21 нагрузке переменного тока указанные процессы будут сопровождаться передачей части энергии в нагрузку благодаря разности потенциалов между выводами 20 и 21.
Если нагрузка переменного тока имеет активно-индуктивный или двигательно-рекуперативный характер, то запаздывающие по временной фазе реактивные токи имеют возможность периодически передавать (рекуперировать) энергию из нагрузки в конденсаторные стойки и обратно в резервный источник постоянного тока благодаря наличию обратных и выпрямленных диодов (12-15 и 28-31).
Аналогичным образом преобразователь может выполнять функцию емкостного компенсатора реактивной мощности в сети переменного тока, подключенной к выходным выводам 20, 21, обеспечивая при этом, например, самовозбуждение асинхронной машины, работающей в генераторном режиме (для чего потребуется три таких устройства по числу фаз якоря машины с возможным объединением и заземлением выходных выводов 20).
Если в качестве нагрузки переменного тока используется нагрузка активно-емкостного характера, газоразрядная (ламповая, сварочно-дуговая) или выпрямительно-зарядная (например, с накопительным конденсатором или аккумулятором), то преобразователь должен обеспечить внешнюю вольтамперную характеристику № источника тока». В этом случае двунаправленные ключи 37 и 38 по управлению либо оставляют в неизменных состояниях (37 - включен, а 38 - выключен), вводя реактор 36 последовательно в цепь нагрузки, либо высокочастотно широтно-импульсно противофазно модулируют, регулируя с отрицательной обратной связью ток нагрузки в соответствии с эталонным сигналом и сигналами датчика тока 27, поступающими в блок управления 22. При этом на интервалах времени выключения ключа 37 и включения ключа 38 ток реактора 36 закорачивается на цепь нагрузки или накоротко в зависимости от положения переключающего контакта двухпозиционного переключателя 39. Такие регулируемые посленакопительные паузы позволяют регулировать и стабилизировать ток нагрузки, обеспечивая статическую устойчивость системы регулирования, а также накапливать в реакторе 36 существенную электромагнитную энергию, возложив на него функцию сглаживающего фильтра и заменив в конденсаторных стойках 4-5 и 6-7 энергоемкие электролитические конденсаторы на пленочные или бумажные.
Благодаря одновременному противофазному периодическому регулированию потенциалов на выходных выводах 20 и 21 амплитуда переменного напряжения на этих выводах может достигать величины напряжения питания на резервных входных выводах 18, 19. Уменьшенная вдвое амплитуда может быть обеспечена также, если потенциал вывода 20 удерживать постоянным, например - нулевым относительно заземленной нейтрали выпрямленной питающей сети. Для этого можно применить подключение среднего вывода конденсаторной стойки 4-5 к нулевому выводу 17 с помощью съемной перемычки 40 и выключить ключи 8 и 9, управляя лишь ключами 10 и 11. Однако при этом ухудшатся динамические характеристики (быстродействие) системы регулирования в переходных процессах. Несмотря на это следует констатировать, что при обрывах и отказах в цепях одного из конверторов или конденсаторной стойки (4-5) имеется возможность сохранить работоспособность устройства, т.е. повысить его «живучесть».
Таким образом, в предлагаемом импульсном преобразователе частоты в сравнении с аналогами и с прототипом обеспечиваются заявленные основной технический результат:
расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение питания потребителей регулируемым напряжением или током произвольно заданной формы, в частности - синусоидальной, а также дополнительный технический результат: повышение надежности устройства за счет исключения нетермостойких, ненадежных и недолговечных электролитических конденсаторов.