ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в качестве источника питания для индукционных нагревателей. Полезная модель повышает надежность работы преобразователя частоты.
Известен преобразователь частоты, содержащий источник постоянного тока и автономный инвертор тока, выполненный в виде однофазного моста на управляемых вентилях, подключенного к выходным выводам источника постоянного тока через дроссели фильтра, выходные выводы преобразователя частоты зашунтированы компенсирующим конденсатором (П. 2284640 РФ, МКИ Н02М 7\538. Способ управления инвертором тока \ Силкин Е.М. - Заявл. 10.11.04, Опубл. 27.09.06. БИ №27).
Недостатком преобразователя частоты является низкая надежность работы на индукционный нагреватель, что обусловлено отсутствием защиты при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя.
Известен преобразователь частоты, содержащий источник постоянного тока и автономный инвертор тока, выполненный в виде однофазного моста на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, подключенного к выходным выводам источника постоянного тока через дроссели фильтра, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами преобразователя частоты через коммутирующие дроссели, выходные выводы преобразователя частоты зашунтированы компенсирующим конденсатором (П. 2220495 РФ, МКИ Н02М 7\5387. Инвертор тока \ Силкин Е.М - Заявл. 18.03.02, Опубл. 27.12.03. БИ №36).
Недостатком преобразователя частоты является низкая надежность работы на индукционный нагреватель, что обусловлено отсутствием защиты при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является преобразователь частоты, содержащий источник постоянного тока и автономный инвертор тока, выполненный в виде однофазного моста на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, подключенного к выходным выводам источника постоянного тока через дроссели фильтра, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами преобразователя частоты через коммутирующие дроссели, выходные выводы преобразователя частоты зашунтированы компенсирующим конденсатором (П. 2284641 РФ, МКИ Н02М 7\5387. Инвертор тока \ Силкин Е.М. - Заявл. 12.05.03, Опубл. 27.09.06. БИ №27).
Указанный преобразователь частоты рассматривается (выбран) в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы, что обусловлено недостаточно эффективной защитой преобразователя частоты при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы преобразователя частоты, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в преобразователе частоты, содержащем источник постоянного тока и автономный инвертор тока, выполненный в виде однофазного моста на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, подключенного к выходным выводам источника постоянного тока через дроссели фильтра, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами преобразователя частоты через коммутирующие дроссели, выходные выводы преобразователя частоты зашунтированы компенсирующим конденсатором, источник постоянного тока выполнен в виде трехфазного моста на управляемых вентилях, входные выводы переменного тока трехфазного моста подключены к входным выводам преобразователя частоты через
дроссели насыщения.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы преобразователя частоты, что достигается эффективной защитой его от перегрузок и коротких замыканий индукционного нагревателя путем перевода трехфазного моста на управляемых вентилях изменением фазы управления управляемых вентилей трехфазного моста в режим работы инвертора ведомого сетью.
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 содержит источник постоянного тока и автономный инвертор тока, выполненный в виде однофазного моста на управляемых вентилях 1-4 с встречно-параллельными диодами 5-8, подключенного к выходным выводам источника постоянного тока через дроссели фильтра 9, 10, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами преобразователя частоты через коммутирующие дроссели 11, 12, выходные выводы преобразователя частоты зашунтированы компенсирующим конденсатором 13. Источник постоянного тока выполнен в виде трехфазного моста на управляемых вентилях 14-19. Входные выводы переменного тока трехфазного моста подключены к входным выводам преобразователя частоты через дроссели насыщения 20-22. К выходным выводам преобразователя частоты подключена нагрузка (индукционный нагреватель) 23.
Преобразователь частоты в установившемся режиме работает следующим образом. К входным выводам преобразователя частоты подключается трехфазный источник
переменного напряжения питания (сеть). Трехфазный мост на управляемых вентилях 14-19 преобразует переменное напряжение сети в постоянное напряжение, которое прикладывается к входным выводам постоянного тока однофазного моста на управляемых вентилях 1-4 с встречно-параллельными диодами 5-8 инвертора через дроссели фильтра 9, 10. Суммарная индуктивность дросселей фильтра 9, 10 выбирается из условия качественного сглаживания входного тока инвертора, что обеспечивается превышением общим индуктивным сопротивлением дросселей фильтра 9, 10 на частоте работы инвертора эквивалентного сопротивления нагрузочного колебательного контура, образованного индукционным нагревателем 23 и компенсирующим конденсатором 13, более чем в три раза. Импульсы управления на пары управляемых вентилей 1, 4 и 2, 3 однофазного моста инвертора тока подаются поочередно с частотой, равной выходной частоте преобразователя частоты и незначительно превышающей собственную частоту нагрузочного колебательного контура, образованного индукционным нагревателем 23 и компенсирующим конденсатором 13. Работа инвертора на более высокой частоте по сравнению с собственной частотой нагрузочного колебательного контура позволяет обеспечить близкие к оптимальным условия для коммутации управляемых вентилей 1-4 однофазного моста. Поочередное переключение пар управляемых вентилей 1, 4 и 2, 3 однофазного моста инвертора формирует выходное переменное напряжение на нагрузочном колебательном контуре. Коммутирующие дроссели 11, 12 снижают уровень коммутационных перенапряжений и ограничивают скорость нарастания тока управляемых вентилей 1-4 в моменты переключений.
Трехфазный мост на управляемых вентилях 14-19 работает в режиме полностью управляемого выпрямителя (источника постоянного тока) с фазовым регулированием. Фазовое регулирование выпрямителя обеспечивает требуемое изменение значения питающего (постоянного) напряжения на входе инвертора тока преобразователя частоты. Дроссели насыщения 20-22 ограничивают уровни перенапряжений при коммутациях управляемых
вентилей 14-19 трехфазного моста выпрямителя.
Скачкообразное увеличение угла управления выпрямителя до 120 град. эл. переводит выпрямитель, работающего на нагрузку преобразователя частоты, в режим инвертора ведомого сетью. При этом входное постоянное напряжение инвертора снижается, а энергия, накопленная в электромагнитном поле дросселей фильтра 9, 10, 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 23. Регулирование значения постоянного напряжения на входе инвертора тока обеспечивает возможность стабилизации уровня напряжения на выходе преобразователя частоты и уровней прямых напряжений на управляемых вентилях 1-4 и обратных напряжений на встречно-параллельных диодах 5-8 однофазного моста.
Управляемыми вентилями 14-19 трехфазного моста выпрямителя также может осуществляться имитация работы «нулевого» вентиля при углах управления более 90 град. эл., что позволяет снизить пульсацию выпрямленного (постоянного) напряжения на входе инвертора тока. Для имитации работы «нулевого» вентиля при больших углах управления включаются соответствующие вентили, смежные с основными работающими вентилями в плечах трехфазного моста.
В качестве управляемых вентилей 14-19 трехфазного моста выпрямителя в преобразователе частоты могут быть использованы однооперационные (SCR) тиристоры. В качестве управляемых вентилей 1-4 однофазного моста инвертора 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. Встречно-параллельные диоды 5-8, в частности, могут быть выполнены на основе диодов Шоттки.
Дроссели насыщения 20-22 реализуются в виде охватывающих соединительные шины сплошных (замкнутых) ферромагнитных сердечников, не имеющих зазоров из неферромагнетика.
Функцию коммутирующих дросселей 11, 12 полностью или частично может выполнять индуктивность соединительных шин преобразователя частоты.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы преобразователя частоты. Это достигается снижением уровней перенапряжений на управляемых вентилях выпрямителя и инвертора тока, снижением скоростей нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях инвертора тока и прямого тока через них в интервалах коммутаций, снижением уровней электромагнитных помех, возникающих при коммутациях вентилей выпрямителя и инвертора, 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 преобразователя частоты, обеспечением эффективной защиты преобразователя частоты при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя за счет перевода регулируемого выпрямителя в режим инвертора ведомого сетью.
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 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 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.