РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для регулирования частоты как однофазной, так и многофазной нагрузки, например, может быть использована в частотно-регулируемом электроприводе переменного тока, а также для другого электрооборудования повышенной частоты.
Известно устройство преобразования переменного напряжения в переменное, содержащее управляемый вентиль, датчик (ограничитель) тока, управляемое сопротивление с управляющим выводом и выполненное на транзисторе, выпрямитель на вентилях, нагрузку, выводы для подключения управляющего источника и для подключения источника переменного напряжения [Патент РФ №2119230, Н 02 М 5/257,опубл. 20.09.1998].
Недостатком устройства является то, что выходной сигнал преобразователя искажен наличием высших гармоник, что неблагоприятно сказывается на потребителе напряжения.
Наиболее близким по технической сущности является регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное, содержащий диодный выпрямительный мост, диагональ переменного тока которого через выводы для подключения нагрузки соединена с выводами для подключения сети переменного тока, тиристор, анод которого подключен к положительному выводу диагонали постоянного тока диодного выпрямительного моста, блок управления, выход которого соединен с управляющим электродом тиристора, резистор, включенный между анодом тиристора и положительным выводом питания блока управления, отрицательный вывод которого соединен с катодом тиристора. Также он содержит первый и второй диоды, конденсатор и пороговый ключевой элемент, который включен между катодом тиристора и отрицательным выводом диагонали постоянного тока диодного
выпрямительного моста. Катод первого диода соединен с положительным выводом питания блока управления, а анод - с катодом второго диода и первым выводом конденсатора, второй вывод которого подключен к отрицательному выводу диагонали постоянного тока диодного выпрямительного моста. Анод второго диода соединен с отрицательным выводом питания блока управления [А.с. СССР №1709478, кл. Н 02 М 5/257, опубл. 30.01.92].
Недостатком указанного преобразователя является содержание высших гармоник, а также наличие пауз в кривой напряжения нагрузки.
Задачей полезной модели является получение более качественных выходных характеристик преобразователя за счет существенного снижения уровня содержания высших гармоник в его выходном напряжении.
Указанная задача решается регулируемым преобразователем частоты, содержащим диодный выпрямительный мост, блок управления, первый и второй диоды, пороговое устройство, который в отличие от прототипа дополнительно содержит первый и второй фазосдвигающие устройства, выходами соединенные со входами третьего и четвертого диодов, параллельно соединенных через трансформатор к нагрузке, первый и второй управляемые источники напряжения с заземленными выводами, соединенные через первый и второй диоды с первичной обмоткой трансформатора, причем блок управления содержит вычислительное устройство, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно первого и второго фазосдвигающих устройств, а третий выход которого соединен с управляющими входами первого и второго управляемого источника напряжения, и задающее устройство, соединенное с первым входом вычислительного устройства, второй вход которого соединен с выходом порогового устройства, вход которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой, а входы фазосдвигающих устройств объединены и соединены через ключ с источником переменного напряжения.
Существо полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема преобразователя, на фиг.2 а - входной сигнал
преобразователя, на фиг.2 б - сигнал на выходе первого фазосдвигающего устройства, на фиг.2 в - сигнал на выходе второго фазосдвигающего устройства, на фиг.2 г - сигнал на выходе порогового устройства, 2 д - выходной сигнал преобразователя.
Преобразователь частоты (фиг.1) содержит первое и второе фазосдвигающие устройства (ФУ) 1 и 2, первый и второй управляемые источники напряжения (УИН) соответственно 3 и 4, первый (D1) и второй (D2) диоды 5 и 6, третий (D3) и четвертый (D4) диоды 7 и 8, пороговое устройство 9, трансформатор 10, нагрузку 11, блок управления 12, включающий вычислительное устройство 13 и задающее устройство 14.
Входы первого 1 и второго 2 ФУ объединены и подсоединены через ключ К к сети переменного напряжения, а их выходы соединены со входами третьего 7 и четвертого 8 диодов, параллельно которым через первый 5 и второй 6 диоды подключены первый 3 и второй 4 управляемые источники напряжения. Выходы третьего 7 и четвертого 8 диодов через трансформатор 10 соединены с нагрузкой 11 и пороговым устройством 9, выход которого соединен со вторым входом вычислительного устройства 13, первый вход которого соединен с задающим устройство 14, а первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно первого 1 и второго 2 ФУ, а третий выход которого соединен с управляющими входами первого 3 и второго 4 УИН.
ФУ обеспечивает сдвиг фазы входного сигнала и содержит сумматор, два управляемых усилителя и устройство сдвига. Пороговое устройство может быть выполнено в виде компаратора. В качестве вычислительного устройства может быть использован контроллер серии Р 1 С 16 Х 7 ХХ.
Преобразователь частоты работает следующим образом.
После запуска преобразователя при разомкнутом ключе К вычислительное устройство 13 устанавливает нулевой фазовый сдвиг в фазосдвигающих устройствах 1 и 2. Выходная частота преобразователя устанавливается задающем устройством 14 путем задания необходимого напряжения U в
управляемых источниках напряжения 3 и 4, которое рассчитывается в вычислительном устройстве 13.
Задачей трансформатора 10 является передача отрицательных и положительных полуволн с выхода выпрямителей на нагрузку, исключив их взаимное влияние.
Напряжение U управляемых источников напряжения 3 и 4 влияет как на амплитуду, так и на длительность полуволн выходных колебаний. Длительность полуволны τ зависит от напряжения U следующим образом
где Т- период колебания входного сигнала.
0
При этом должно меняться в пределах U∈[0;E).
Значение напряжения U в блоках 3 и 4 задается при помощи вычислительного устройства 13, которое в соответствии с требуемой частотой (заданной задающим устройством 14)
рассчитывает необходимое значение напряжение U, которое нужно установить в управляемых источниках напряжения 3 и 4. Зависимость между требуемой частотой ω и напряжением U вытекает из формул (1) и (2)
вх
вых
0
Задачей фазосдвигающих устройств 1 и 2 является поочередный сдвиг положительных и отрицательных полуволн выходного сигнала выпрямителей, выполненных на диодах 7 и 8, для устранения образующихся промежутков на выходе преобразователя путем изменения фазы входного сигнала e(t), поступающего на входы выпрямителей. В результате этого на выходе преобразователя должен появиться синусоидальный сигнал y(t)=Y·sin(ωt) с частотой ω.
вх
При этом работа фазосдвигающих устройств 1 и 2 происходит следующим образом. Замыкание ключа К приводит к тому что на преобразователь поступает положительная или отрицательная полуволна. Во время поступления положительной полуволны при выполнении условия е(t)>U открывается диод 7 (диод 8 закрыт), и начинается формирование положительной полуволны на выходе преобразователя с длительностью τ. Пороговое устройство 9 фиксирует ее образование в виде импульса с длительностью, равной длительности данной полуволны, и сообщает об этом вычислительному устройству 13. За время длительности положительной полуволны τ фазосдвигающее устройство 2 должно изменить фазу входного сигнала так, чтобы после окончания полуволны, т.е. после закрытия диода 7 на выходе преобразователя началось формирование отрицательной полуволны. Это осуществляется при открытии диода 8. При этом сигнал на выходе фазосдвигающего устройства 9 должен уменьшиться до значения - U.
Работа вычислительного устройства 13 заключается в расчете необходимого фазового сдвига для ФУ 2. Этот расчет производится сразу же после прихода импульса с порогового устройства 9, сигнализирующего о начале образования на выходе преобразователя положительной полуволны. Изменение фазы в ФУ 2 осуществляется сразу же после вычисления необходимого фазового сдвига. После начала формирования отрицательной полуволны на выходе преобразователя, пороговое устройство сообщает об этом контроллеру, который сразу же после прихода импульса с порогового устройства сигнализирующего о начале образования на выходе преобразователя отрицательной полуволны рассчитывает значение сдвига фазы и затем осуществляет сдвиг фазы при помощи ФУ 1.
Далее процесс продолжается по аналогичной схеме. Результатом является формирование на выходе преобразователя непрерывного синусоидального сигнала (фиг.2 д).
При размыкании ключа К пороговое устройство 9 передает на вычислительное устройство 13 сигнал о размыкании ключа К. Далее вычислительное
устройство обнуляет сдвиги фаз на ФУ 1 и ФУ 2 и, в дальнейшем, при повторном замыкании ключа К процесс повторяется с начала.
Работа преобразователя проиллюстрирована на фиг.2 а-д.
1
1
3
5
7
2
4
6
Значение напряжения U в блоках УИН 3 и 4 принято равным 100 В. Амплитуда входного напряжения 220 В. Частота входного напряжения 50 Гц. Поскольку напряжение в блоках 3 и 4 принято равным 100 В, то открытие диода 7 (начало формирования положительной полуволны на выходе преобразователя) происходит при достижении выходного сигнала ФУ 1 значения 100 В. Этот момент времени обозначен на фиг.2 как t. При этом на выходе порогового устройства 9 устанавливается значение 1 В (фиг.2, г). Необходимый фазовый сдвиг для ФУ 2 (фиг.2, в) рассчитывается и устанавливается сразу же при приходе в вычислительное устройство 13 с порогового устройства 9 импульса с амплитудой 1 В (на фиг.2, в моменты времени t, t, t, t). Необходимый фазовый сдвиг для ФУ 1 (фиг.2, б) рассчитывается и устанавливается сразу же при приходе в вычислительное устройство 13 с порогового устройства 9 импульса с амплитудой -1 В (на фиг.2, г моменты времени t, t, t. На выходе преобразователя устанавливается следующий сигнал (фиг.2, д)
вых
0
y(t)=Y·sin(ωt),
который начинает действовать с момента времени
Для сравнения на фиг.3 приведены входной (а) и выходной (б) сигналы преобразователя в случае отсутствия фазосдвигающих устройств, задающего устройства, вычислительного устройства. Наличие пауз в выходном сигнале неблагоприятно сказывается на потребителе напряжения.
Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного напряжения в переменное обеспечивает существенное снижение уровня содержания высших гармоник в его выходном напряжении.