СОГЛАСОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С НЕЯВНО ВЫРАЖЕННЫМ ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА И РЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована при проектировании источников питания для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Полезная модель улучшает электромагнитную совместимость согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией с питающей сетью и нагрузкой.
Известен согласованный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией, 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 преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией является плохая электромагнитная совместимость с питающей сетью и нагрузкой. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях при их выключении за счет обрыва тока последовательных дросселей, а, следовательно, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при коммутациях управляемых вентилей, что может привести, например, к сбоям
в системе управления преобразователя частоты, его отключению или выходу из строя и нарушению, по этой причине, хода технологического процесса. В потребляемом из сети токе высок уровень третьей гармоники, что оказывает отрицательное влияние на питающую сеть,
Известен согласованный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией, 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 преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией является плохая электромагнитная совместимость с питающей сетью и нагрузкой. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях при их выключении за счет обрыва тока магнитосвязанных дросселей, а, следовательно, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при коммутациях управляемых вентилей, что может привести, например, к сбоям в системе управления преобразователя частоты, его отключению или выходу из строя и нарушению, по этой причине, хода технологического процесса. В потребляемом из сети токе высок уровень третьей гармоники, что оказывает отрицательное влияние на питающую сеть.
Известен согласованный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией, 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 преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией является плохая электромагнитная совместимость с питающей сетью и нагрузкой. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях при их выключении за счет обрыва тока магнитосвязанных дросселей, а, следовательно, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при коммутациях управляемых вентилей, что может привести, например, к сбоям в системе управления преобразователя частоты, его отключению или выходу из строя и нарушению, по этой причине, хода технологического процесса.
Известен согласованный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам преобразователя частоты выводами переменного тока трехфазный мост на управляемых вентилях, выводы постоянного тока которого замкнуты и подключены к выходному выводу преобразователя частоты через последовательно соединенные дроссель и разделительный конденсатор, второй выходной вывод преобразователя частоты подключен к нулевому выводу корпуса устройства (П.60810 РФ, МКИ Н02М 5/45. Согласованный резонансный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока / Силкин Е.М. - Заявл. 18.09.06, Опубл. 27.01.07. БИМП №3).
Указанный согласованный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является плохая электромагнитная совместимость с питающей сетью и нагрузкой. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях при их выключении за счет обрыва тока дросселя, а, следовательно, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при коммутациях управляемых вентилей, что может привести, например, к сбоям в системе управления преобразователя частоты, его отключению или выходу из строя и нарушению, по этой причине, хода технологического процесса. В потребляемом из сети токе высок уровень третьей гармоники, что оказывает отрицательное влияние на питающую сеть.
Полезная модель направлена на решение задачи улучшения электромагнитной совместимости согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией с питающей сетью и нагрузкой, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в согласованном преобразователе частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией, содержащем подключенный через дроссели насыщения к входным выводам преобразователя частоты выводами переменного тока трехфазный мост на управляемых вентилях, выводы постоянного тока которого замкнуты и подключены к выходному выводу преобразователя частоты через последовательно соединенные дроссель и разделительный конденсатор, второй выходной вывод преобразователя частоты подключен к нулевому выводу корпуса устройства, выводы переменного тока трехфазного моста на управляемых вентилях соединены с выводами постоянного тока через последовательные цепи, содержащие резистор и конденсатор, к входным выводам преобразователя частоты подключены коммутирующие
конденсаторы, соединенные в трехфазную звезду, общая точка которой соединена с нулевым выводом корпуса устройства, и конденсаторы фильтра, соединенные в треугольник.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является улучшение электромагнитной совместимости согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией с питающей сетью и нагрузкой, что достигается снижением уровней перенапряжений на управляемых вентилях - при их выключении, снижением скоростей нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока управляемых вентилей, снижением уровней электромагнитных помех, возникающих при коммутациях управляемых вентилей, улучшением гармонического состава потребляемого из сети тока, снижением уровня третьей гармоники потребляемого из питающей сети тока, емкостным характером потребляемого от питающей сети тока.
Улучшение электромагнитной совместимости согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией с питающей сетью и нагрузкой 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 преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией являются существенными.
На рисунке приведена электрическая схема преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией.
Согласованный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией содержит подключенный через дроссели насыщения 1-3 к входным выводам преобразователя частоты выводами переменного тока трехфазный
мост на шести управляемых вентилях 4-9, выводы постоянного тока которого замкнуты и подключены к выходному выводу преобразователя частоты через последовательно соединенные дроссель 10 и разделительный конденсатор 11, второй выходной вывод преобразователя частоты подключен к нулевому выводу корпуса устройства. Выводы переменного тока трехфазного моста на управляемых вентилях соединены с выводами постоянного тока через последовательные цепи, содержащие резистор 12-14 и конденсатор 15-17. К входным выводам преобразователя частоты подключены коммутирующие конденсаторы 18-20, соединенные в трехфазную звезду, общая точка которой соединена с нулевым выводом корпуса устройства, и конденсаторы фильтра 21-23, соединенные в треугольник. Индукционный нагреватель (индуктор) 24 подключен к выходным выводам преобразователя частоты.
Согласованный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией 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 4, 6, 8 и 5, 7, 9 поступают поочередно с частотой, равной частоте выходного сигнала устройства.
Ток через нагрузку 24 имеет колебательный характер. Выключение очередного управляемого вентиля 4-9 происходит в момент колебательного спада тока через управляемый вентиль и нагрузку 24 до нулевого значения. Параметры элементов последовательного колебательного контура нагрузочной цепи (емкость разделительного конденсатора 11, емкость коммутирующего конденсатора 18-20, индуктивность дросселей
насыщения 1-3, индуктивность дросселя 10 и индуктивность нагрузки 24) выбираются из условия равенства или превышения частоты основной гармоники выходного сигнала согласованного преобразователя частоты более чем в 2 раза (работа с более низкой собственной частотой последовательного колебательного контура нагрузочной цепи не рассматривается).
Если входное переменное напряжение (сети) в первой фазе источника переменного напряжения питания (соединена через дроссель насыщения 1 с общей точкой соединения управляемых вентилей 4, 5) условно положительной полярности относительно потенциала нулевого вывода корпуса устройства является в данный момент времени наибольшим, а входное переменное напряжение, например, в третьей фазе (соединена через дроссель насыщения 3 с общей точкой соединения управляемых вентилей 8, 9) условно отрицательной полярности относительно потенциала нулевого вывода корпуса устройства является наименьшим, то подается импульс управления на управляемый вентиль 4. В нагрузке 24 формируется импульс тока положительной полярности. Ток протекает от входного вывода первой фазы к нулевому выводу корпуса устройства по цепи: +-1-4-10-11-24-о-18-+. Разделительный конденсатор 11 перезаряжается до напряжения условно положительной полярности, которое превышает напряжение питания. После выключения управляемого вентиля 4 включается управляемый вентиль 5. При этом ток протекает в противоположном направлении, разряжая разделительный конденсатор 11 по цепи: 11-10-5-1-+-18-о-24-11. В интервале проводимости управляемого вентиля 5 управляемый вентиль 4 может восстанавливать свои управляющие свойства (если используются управляемые вентили с неполной управляемостью), а часть электромагнитной энергии накопленной в поле разделительного конденсатора 11 рекуперируется в фазу источника переменного напряжения питания. Возврат излишней электромагнитной энергии от элементов колебательного контура нагрузочной цепи обеспечивает стабилизацию режима работы
преобразователя частоты на переменную электротехнологическую нагрузку 24. После частичного разряда разделительного конденсатора 11 и колебательного спада тока до нулевого значения управляемый вентиль 5 выключается. Далее включается управляемый вентиль 9 непосредственно после выключения управляемого вентиля 5, либо через интервал регулируемой паузы. Ток протекает от нулевого вывода корпуса устройства к входного выводу третьей фазы по цепи: о-24-11-10-9-3---20-о. Ток через нагрузку 24 имеет условно отрицательное направление. Разделительный конденсатор 11 перезаряжается до напряжения условно отрицательной полярности, которое превышает по модулю напряжение питания. После колебательного спада тока через управляемый вентиль 9 до нулевого значения включают управляемый вентиль 8. Ток протекает в противоположном (условно положительном) направлении, разряжая разделительный конденсатор 11 по цепи: 11-24-о-20---3-8-10-11. В интервале проводимости управляемого вентиля 8 управляемый вентиль 9 может восстанавливать свои управляющие свойства (если используются управляемые вентили с неполной управляемостью), а часть электромагнитной энергии накопленной в поле разделительного конденсатора 11 рекуперируется в источник переменного напряжения питания. Далее, если входное переменное напряжение в первой фазе источника переменного напряжения питания относительно потенциала нулевого вывода корпуса устройства является по-прежнему наибольшим, а входное переменное напряжение в третьей фазе продолжает оставаться наименьшим, то снова подаются импульсы управления на управляемый вентиль 4, а затем, последовательно, на управляемые вентили 5, 9, 8. С момента включения управляемого вентиля 4 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 6, 7, 8, 9, 5, 4 в анодной и
катодной группах трехфазного моста. Количество периодов выходного переменного сигнала, которое формируется на 1/3 части периода переменного напряжения питания определяется соотношением частот выходного переменного сигнала и переменного напряжения питания. Электромагнитные процессы при циклической смене управляемых вентилей в анодной 5, 7, 9 и катодной 4, 6, 8 группах трехфазного моста полностью аналогичны рассмотренным выше.
Последовательные цепи, содержащие резистор 12-14 и конденсатор 15-17 демпфируют переходные процессы при выключении управляемых вентилей 4-9, обусловленные неидеальностью свойств управляемых вентилей. За счет действия указанных последовательных цепей снижаются уровни коммутационных перенапряжений на управляемых вентилях 4-9, возникающие из-за обрыва обратных токов через них. Снижаются и скорости приложения прямого напряжения к управляемым вентилям 4-9. В результате улучшается электромагнитная совместимость согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией с питающей сетью и нагрузкой.
Конденсаторы фильтра 21-23, соединенные в треугольник отделяют преобразователь частоты от питающей сети и обеспечивают фильтрацию электромагнитных помех. Соединение фильтровых конденсаторов 21-23 в треугольник создает эффективные цепи для протекания токов третьей гармоники. Кроме того, потребляемый от питающей сети ток имеет емкостной характер, что является положительным свойством преобразователя.
Коммутирующие конденсаторы 18-20, соединенные в трехфазную звезду, также обеспечивают фильтрацию электромагнитных помех в питающей сети. Через указанные конденсаторы протекают токи индуктора 24 выходной повышенной частоты. Общая точка трехфазной звезды коммутирующих конденсаторов 18-20 образует искусственный
нулевой вывод, через который замыкаются высокочастотные составляющие тока питающей сети.
Дроссели насыщения 1-3 снижают скорость нарастания тока при включении и спаде тока управляемых вентилей 4-9 за счет изменения индуктивности при изменении величины тока через них. С увеличением тока в межкоммутационном интервале дроссели 1-3 насыщаются, и их индуктивность снижается. Одновременно за счет действия дросселей насыщения 1-3 снижается величина обратного тока восстановления управляемых вентилей, скорость нарастания прямого напряжения и уровень коммутационных перенапряжений на управляемых вентилях 4-9. При насыщении дросселей 1-3 они практически не оказывают влияния на ход электромагнитных процессов в межкоммутационных интервалах.
Разделительный конденсатор 11 обеспечивает коммутационные процессы управляемых вентилей 4-9, а также ограничение тока в цепи выходных выводов согласованного преобразователя частоты и вентилях 4-9 в рабочем и в аварийных режимах при частичном или глухом (полном) коротком замыкании в нагрузке 24.
Разделительный конденсатор 11 может быть подсоединен параллельно индуктору 24. При этом соответствующий вывод разделительного конденсатора 11 подключается к нулевому выводу корпуса устройства (второму выходному выводу преобразователя частоты). Соответствующий вывод индуктора 24 соединяется с общей точкой соединения дросселя 10 и разделительного конденсатора 11. В этом случае получаем параллельную компенсацию реактивности индуктора 24. Согласованный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией работает аналогично исходному варианту последовательной компенсации реактивности индуктора 24. Параллельная компенсация позволяет при равной выходной мощности преобразователя частоты снизить загрузку управляемых вентилей 4-9 по току, уменьшить статические
электрические потери и коммутационные потери и перенапряжения и улучшить электромагнитную совместимость устройства с питающей сетью и нагрузкой.
Если питание согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией осуществляется от сети (сетевого источника) с изолированной нейтралью, разделительный конденсатор 11 в схеме может отсутствовать. То есть выводы постоянного тока трехфазного моста на управляемых вентилях 4-9 замкнуты и подключены к выходному выводу преобразователя частоты через дроссель 10. При этом коммутирующие конденсаторы 18-20 имеют величину емкости, обеспечивающую резонансную коммутацию. Так как второй выходной вывод преобразователя частоты изолирован, общая точка трехфазной звезды коммутирующих конденсаторов 18-20 образует искусственный нулевой вывод. Схема согласованного преобразователя частоты при исключении разделительного конденсатора 11 несколько упрощается. Работа согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией в этом случае осуществляется практически аналогично. Упрощение схемы согласованного преобразователя частоты снижает общие электрические потери и, следовательно, загрузку элементов и управляемых вентилей 4-9 по току. В результате улучшается электромагнитная совместимость согласованного преобразователя частоты с питающей сетью и нагрузкой.
Аналогично, если питание согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией осуществляется от сети (сетевого источника) с изолированной нейтралью, разделительный конденсатор 11 в схеме также может быть подключен параллельно индуктору 24, как рассмотрено выше. Таким образом обеспечивается режим параллельной компенсации реактивности индуктора 24. Работа согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном
постоянного тока и резонансной коммутацией осуществляется практически аналогично.
По сравнению с прототипом существенно улучшается электромагнитная совместимость согласованного преобразователя частоты с питающей сетью и нагрузкой. Это достигается снижением уровней перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, снижением скоростей нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока через них в межкоммутационных интервалах, снижением уровней электромагнитных помех, возникающих при коммутациях вентилей, ограничением тока через элементы согласованного преобразователя частоты в аварийных режимах, ограничением «раскачки» напряжений на элементах при изменении нагрузки в широких пределах, эффективной фильтрацией электромагнитных помех на входных выводах, улучшением гармонического состава потребляемого из сети тока, снижением уровня третьей гармоники потребляемого из питающей сети тока, емкостным характером потребляемого от сети тока, 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 скоростей 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 в целом 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.