НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
LOW-FREQUENCY CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники, и предназначено для использования в установках электронагрева нефтескважин.
Известен однофазный мостовой автономный инвертор напряжения (далее АИН), выполненный на базе двухоперационных запираемых тиристоров с широтно-импульсным регулированием и звеном постоянного тока, выполненным на выпрямителе с конденсаторным фильтром (Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. «Основы преобразовательной техники». / М.: Высшая школа, 1980, с.237-240). Преобразование постоянного напряжения в переменное для питания активно-индуктивной нагрузки заданной частоты происходит за счет переключения диагонально расположенных пар тиристоров импульсами, смещенными на 180° эл. При переключении ключей электромагнитная энергия нагрузки сбрасывается в батарею конденсаторов источника постоянного напряжения. Емкость батареи конденсаторов С достигает большой величины, особенно при низких частотах f и больших токах АИН:
,
где: I - ток нагрузки;
t=1/f - время протекания тока через батарею конденсаторов;
ΔU - допустимая величина перенапряжения на конденсаторах.
При токе в несколько сотен ампер и малых частотах f (менее 5 Гц) емкость батареи конденсаторов может достигать величин фарад, что является основным недостатком данного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является низкочастотный преобразователь на базе автономного инвертора напряжения (АИН) (RU 98650 U1 опубликовано 20.10.2010, Бюл. №29), выполненный на транзисторных ключах, с активно-индуктивной нагрузкой и двухканальной системой управления (см. фиг.1).
Силовая часть представлена однофазным мостовым инвертором 1 с выпрямителем 2, транзисторными ключами 3…6, четырьмя обратными диодами 7, 8 и активно-индуктивной нагрузкой 9. Управление ключами инвертора осуществляется от двухканальной системы управления 10 с идентичными каналами управления 12, 13. В каждом канале управления содержатся формирователи импульсов 14, 15.
2
p
Регулирование выходного напряжения инвертора происходит за счет изменения длительности τ включенного состояния ключей 4 и 6, которая определяется элементами 15 в каналах управления 12 и 13 в функции управляющего сигнала U управляющего органа 16. При этом элементы 14 представляют собой драйверы, а элементы 15, кроме драйверов, содержат фазосмещающие устройства, формирователи длительности и компараторы. Наличие двух фазосмещающих устройств в системе 10 приводит к возникновению асимметрии управляющих импульсов, поступающих на ключи 4 и 6, что негативно сказывается на качестве выходного напряжения инвертора 1, увеличивает потери мощности в нагрузке 9, усложняет систему регулирования, понижает надежность и кпд в целом. Перечисленные обстоятельства подтверждают сложность устройства-прототипа и его низкую надежность.
Технический результат заявляемого устройства - упрощение и повышение надежности устройства.
Технический результат достигается тем, что в низкочастотном преобразователе, содержащим однофазный мостовой инвертор напряжения, выполненный на выпрямителе, силовых ключах, например транзисторных и обратных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из источника противофазных тактовых импульсов с частотой f, управляющего органа, каналов управления силовыми ключами с формирователями импульсов управления, соединенными с управляющими цепями соответствующих силовых ключей однофазного мостового инвертора напряжения и управляющего органа, причем источник противофазных тактовых импульсов с частотой f выходами соединен с первыми формирователями импульсов в каждом канале управления, в систему управления введены генератор пилообразных напряжений с частотой 2f, двухвходовой компаратор, распределитель импульсов, ограничитель максимального выходного напряжения управляющего органа, при этом источник противофазных тактовых импульсов выходами подсоединен к входам генератора пилообразных напряжений, распределителя импульсов, выход генератора пилообразных напряжений соединен с первым входом двухвходового компаратора, второй вход которого подсоединен к выходу управляющего органа, при этом распределитель импульсов содержит, например, два ключа, выходы которых соединены с входами вторых формирователей импульсов в каждом канале управления, а к управляющему органу подсоединен ограничитель максимального выходного напряжения. Однофазный мостовой инвертор напряжения содержит два обратных диода.
Сущностью заявляемого изобретения является то, что между источником противофазных тактовых импульсов частотой f и двумя идентичными каналами управления силовыми ключами включены общие генератор пилообразных напряжений с частотой 2f, компаратор и распределитель импульсов, при этом выходы распределителя импульсов подключены к входам вторых формирователей импульсов обоих каналов управления силовыми ключами, а к управляющему органу подсоединен ограничитель максимального выходного напряжения. Силовая часть же инвертора содержит только два обратных диода.
На фиг.1 приведена схема прототипа, на фиг.2 - схема заявляемого устройства, на фиг.3 - показан источник противофазных тактовых импульсов с частотой f диаграммы работы заявляемого устройства; на фиг.4 - диаграммы работы заявляемого устройства.
На схемах по фиг.1, фиг.2, фиг.3 приняты следующие обозначения:
1 - однофазный мостовой инвертор;
2 - выпрямитель;
3…6 - силовые ключи, например транзисторы;
7, 8 - силовые обратные диоды (на фиг.1 диодов четыре, на фиг.2 - два);
9 - активно-индуктивная нагрузка (u, i - напряжение и ток в нагрузке);
10 - система управления;
11 - источник противофазных тактовых импульсов с частотой f и двумя выходами «a» и «x» (источник 11 может быть выполнен, например, на основе генератора 26 и двух компараторов 27 и 28);
12, 13 - каналы управления силовыми ключами;
14 - первые формирователи импульсов в блоках 12, 13 и обозначаемые по тексту ФИ1;
15 - вторые формирователи импульсов в блоках 12, 13 и обозначаемые по тексту ФИ2;
16 - управляющий орган;
17 - генератор пилообразных напряжений с частотой выходного сигнала 2f, выполненный, например, на элементах 21…23;
18 - двухвходовой компаратор;
19 - распределитель импульсов, состоящий, например, из двух ключей 24 и 25;
ym
20 - ограничитель максимального выходного напряжения U управляющего органа 16;
21 - усилитель;
22 - ключ «сброса» (для обнуления конденсатора в интеграторе 23);
23 - интегратор.
Сигналы на фиг.1-фиг.3:
и
U - напряжение импульсов «сброса» на выходе 21;
п
U - пилообразное напряжение на выходе 23;
у
U - напряжение управления на выходе 16;
p
U - напряжение на входе 16.
Примечания:
1. В заявляемом устройстве формирователи импульсов 14 и 15 состоят из драйверов и не содержат в своем составе других устройств. По сравнению с прототипом, в котором формирователи импульсов 15 являются более сложными узлами и содержат, кроме драйверов, фазосмещающие устройства, компараторы и формирователи длительности импульсов.
Обозначения по фиг.4:
1
2
и
п
y
Сигналы U, U, a, x, U, U, U приведены в обозначениях по фиг.2;
ФИ1 - 12(14), ФИ2 - 12(15) - соответствующие формирователи импульсов 1 и 2 в канале управления 12, их цифровые обозначения 14 и 15;
ФИ1 - 13(14), ФИ2 - 13(15) - то же, но в канале управления 13;
1
2
τ, τ - длительности импульсов соответственно на выходах блоков 14, 15 в каналах управления 12 и 13;
1
1
τ(3), τ(5) - длительности импульсов управления на силовых ключах 3 и 5;
2
2
τ(4), τ(6) - то же на силовых ключах 4 и 6;
1
t - время нарастания и спада до нуля тока нагрузки i;
и
Δt - время импульса «сброса» U;
d
U - напряжение на выходе выпрямителя 2;
u, i - соответственно напряжение и ток в нагрузке 9.
Устройство содержит однофазный мостовой инвертор 1, состоящий из выпрямителя 2, силовых ключей 3…6, например, транзисторных и двух обратных диодов 7, 8, активно-индуктивную нагрузку 9 и систему управления 10, состоящую из источника противофазных тактовых импульсов 11 с частотой f двух идентичных каналов управления 12, 13 силовыми ключами с двумя формирователями импульсов 14, 15 в каждом, соответственно соединенные с управляющими цепями силовых ключей 3…6, управляющего органа 16. Кроме того, имеются двухвходовые генератор пилообразных напряжений 17 с частотой 2f и компаратор 18, первый вход которого подключен к генератору пилообразных напряжений 17, а второй вход - к управляющему органу 16. Вход распределителя импульсов 19 соединен с выходом компаратора 18, а его оба выхода - с вторыми формирователями импульсов 15 каналов управления силовыми ключами 12 и 13. К управляющему органу 16 подключен ограничитель выходного напряжения 20. К выходам источника противофазных тактовых импульсов 11 подключены входы первых формирователей импульсов 14 каналов управления 12, 13 силовыми ключами; входы генератора пилообразных напряжений 17, содержащего усилитель 21, ключ «сброса» 22 и интегратор 23, а также входы ключей 24, 25 распределителя импульсов 19.
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.
п
1
2
и
п
y
3
4
5
2
1
2
1
2
На выходах «a» и «x» источника тактовых импульсов 11 образуются две противофазных последовательности импульсов с заданной частотой f, которая при помощи генератора пилообразных напряжений 17 преобразуется в пилообразное напряжение U с частотой 2f. Это осуществляется, например, с помощью усилителя 21, ключа «сброса» 22 и интегратора 23. Данный процесс отражен четырьмя верхними диаграммами на фиг.4, где U и U - напряжения на выходах «a» и «x» блока 11. Импульс напряжения U образуется на выходе 21 и поступает на ключ 22, кратковременно (в течение Δt) шунтирующий конденсатор интегратора 23, осуществляя «сброс» «пилы» от максимума до нуля два раза за период Т=1/f. Сигнал U подается на первый вход компаратора 18, а на его второй вход поступает сигнал U с выхода 16. В результате сравнения указанных сигналов на выходе 18 возникает сигнал U (фиг.4, д) с частотой 2f, который, проходя через ключи 24, 25 на входах формирователей импульсов ФИ2 (15) в блоках 12, 13, превращается в два противофазных сигнала U и U с длительностью τ и частотой f (фиг.4, е и фиг.4, ж). При этом на ФИ1 (14) в блоках 12, 13 поступают сигналы U и U с частотой f (фиг.4, а и фиг., 4б). В результате на выходах каждого из каналов управления 12 и 13 возникают по две последовательности импульсов разной длительности τ и τ (фиг.4, з - 4, л). В этом случае
1
2
τ=T/2-Δt≈1/2f>τ,
1
и
2
y
1
2
где Т=1/f - период частоты f, Δt<<τ - длительность импульса U, необходимая для исключения аварийного режима одновременной работы последовательно включенных силовых ключей (3, 4 и 5, 6), а также для разряда конденсатора в блоке 23 через ключ 22 и составляющая микросекунды. Длительность τ определяется сигналом U (точки N и N на фиг.4, г) и определяет выходное напряжение на нагрузке 9 (фиг.4, м).
0
0
1
1
э
В каждом канале передние фронты импульсов управления с выходов 14 и 15 совпадают, а задние - отличаются на величину τ-Δt≈τ, которая должна быть больше времени t спадания тока i в нагрузке до нуля. Ток i спадает через включенный силовой ключ, например 3, и диод 8 (или ключ 5 и диод 7) на фиг.4, м. Величина t определяется электромагнитной постоянной времени цепи нагрузки T и равна
1
э
t≈4T=4L/R.
0
0
у
max
1
Ограничитель максимального выходного напряжения 20 обеспечивает ограничение максимального значения τ, что исключает аварийный режим короткого замыкания в инверторе, для чего необходимо: τ(U)>t.
Работа силовых ключей разъясняется на фиг.4, н.
Действующее значение напряжения на нагрузке 9 определяется формулой:
2
где τ - регулируемая длительность в секундах, f - частота в герцах.
2
y
Величина τ зависит от значения напряжения управления U
п.m
где U - максимальное напряжение «пилы».
Формула (2) справедлива при условии
что имеет место в данном случае, где а=1÷10 Гц.
Объединяя формулы (1) и (2), окончательно имеем:
где  - относительная величина напряжения управления.
Так, при , что очевидно из фиг.4, м.
Следует отметить, что источник тактовых импульсов 11 может быть выполнен по различным схемам, одна из которых приведена на фиг.3, и выполнен на основе генератора синусоидальных колебаний 26 и двух компараторов 27, 28.
За счет определенного порога срабатывания компараторов на выходах «a», «x» имеем импульсы в соответствии с фиг.4.
Таким образом, в заявляемом устройстве за счет введенных в систему управления генератора пилообразных напряжений с частотой 2f, двухвходового компаратора, распределителя импульсов, ограничителя максимального выходного напряжения управляющего органа, а также упрощения вторых формирователей импульсов в каждом канале, а также оригинальной схемы их соединения достигается технический результат.