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

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках питания для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Полезная модель расширяет область применения согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией.
Известен согласованный преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией, содержащий источник постоянного тока и, подключенную к выходным выводам источника постоянного тока преобразователя частоты, последовательную цепь, включающую управляемый вентиль с встречно-параллельным диодом и выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированные компенсирующим конденсатором (Электромагнитные процессы и параметрический синтез одновентильных инверторов с обратным диодом для электротермии / Л.Э.Рогинская, А.В.Иванов, М.М.Мульменко и др. //Электричество. - 2003. - №12. - С.42).
Недостатком согласованного преобразователя частоты является узкая область применения. Это обусловлено высокими уровнями электрических потерь, связанных с двойным преобразованием энергии, а также низкой надежностью работы согласованного преобразователя частоты из-за жестких требований к системе управления, необходимостью подачи импульсов управления на управляемый вентиль одновременно с подачей силового напряжения и точной синхронизации импульсов управления с моментом перехода напряжения на управляемом вентиле через ноль. При пуске согласованного преобразователя частоты возможны броски прямого тока через управляемый вентиль большой амплитуды, обусловленные зарядом компенсирующего конденсатора. Любые сбои в работе системы
управления и нарушение синхронизации в подаче импульсов управления могут привести к выходу управляемого вентиля из строя из-за бросков прямого тока. Обрыв тока управляемого вентиля при его выключении (при максимальном значении) и жесткая коммутация вызывают большие коммутационные потери, что также снижает надежность работы согласованного преобразователя частоты. Указанные ограничения не позволяют, например, использовать известный согласованный преобразователь частоты для питания ответственных потребителей при высоких требованиях к надежности и экономичности работы.
Известен согласованный преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией, содержащий источник постоянного тока и, подключенную к выходным выводам источника постоянного тока преобразователя частоты, последовательную цепь, включающую управляемый вентиль с встречно-параллельным диодом и выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированные компенсирующим конденсатором, зашунтированную конденсатором фильтра (А.с. 1830642 СССР, МКИ Н05В 6\06. Способ регулирования выходной мощности устройства индукционного нагрева \ С.В.Дзлиев, Е.М.Силкин, С.Н.Тазихин и др. - Заявл. 01.10.90, Опубл. 30.07.93, Б.И. №28).
Недостатком согласованного преобразователя частоты является узкая область применения. Это обусловлено высокими уровнями электрических потерь, связанных с двойным преобразованием энергии, а также низкой надежностью работы согласованного преобразователя частоты из-за жестких требований к системе управления, необходимостью подачи импульсов управления на управляемый вентиль одновременно с подачей силового напряжения и точной синхронизации импульсов управления с моментом перехода напряжения на управляемом вентиле через ноль. При пуске согласованного преобразователя частоты возможны броски прямого тока через управляемый вентиль большой амплитуды, обусловленные зарядом компенсирующего конденсатора. Любые сбои в работе системы
управления и нарушение синхронизации в подаче импульсов управления могут привести к выходу управляемого вентиля из строя из-за бросков прямого тока. Обрыв тока управляемого вентиля при его выключении (при максимальном значении) и жесткая коммутация вызывают большие коммутационные потери, что также снижает надежность работы согласованного преобразователя частоты. Указанные ограничения не позволяют, например, использовать известный согласованный преобразователь частоты для питания ответственных потребителей при высоких требованиях к надежности и экономичности работы.
Известен согласованный преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией, содержащий источник постоянного тока и, подключенную к выходным выводам источника постоянного тока преобразователя частоты, последовательную цепь, включающую управляемый вентиль с встречно-параллельным диодом и выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированные компенсирующим конденсатором, зашунтированную конденсатором фильтра (А.с. 1800659 СССР, МКИ Н05В 6\06. Устройство для индукционного нагрева \ С.В.Дзлиев, Е.М.Силкин, С.Н.Тазихин и др. - Заявл. 15.10.90, Опубл. 07.03.93, Б.И. №9).
Указанный согласованный преобразователь частоты является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является узкая область применения. Это обусловлено высокими уровнями электрических потерь, связанных с двойным преобразованием энергии, а также низкой надежностью работы согласованного преобразователя частоты из-за жестких требований к системе управления, необходимостью подачи импульсов управления на управляемый вентиль одновременно с подачей силового напряжения и точной синхронизации импульсов управления с моментом перехода напряжения на управляемом вентиле через ноль. При пуске согласованного преобразователя частоты возможны броски прямого тока через управляемый вентиль большой амплитуды, обусловленные зарядом компенсирующего конденсатора. Любые сбои в работе системы управления и нарушение
синхронизации в подаче импульсов управления могут привести к выходу управляемого вентиля из строя из-за бросков прямого тока. Обрыв тока управляемого вентиля при его выключении (при максимальном значении) и жесткая коммутация вызывают большие коммутационные потери, что также снижает надежность работы согласованного преобразователя частоты. Указанные ограничения не позволяют, например, использовать известный согласованный преобразователь частоты для питания ответственных потребителей при высоких требованиях к надежности и экономичности работы.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения согласованного преобразователя частоты, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что согласованный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией, содержит подключенную к входным выводам преобразователя частоты последовательную цепь, включающую управляемый вентиль с встречно-параллельным диодом, коммутирующий дроссель, выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированные компенсирующим конденсатором, второй коммутирующий дроссель и второй управляемый вентиль с встречно-параллельным диодом, управляемые вентили включены встречно, зашунтированную конденсатором фильтра.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения согласованного преобразователя частоты, что достигается возможностью применения согласованного преобразователя частоты для питания ответственных потребителей за счет снижения потерь связанных с двойным преобразованием энергии, переводом согласованного преобразователя частоты в режим непосредственного преобразования частоты, повышения надежности работы, меньшей критичности схемы к сбоям в системе управления, отсутствия бросков прямого тока через управляемый вентиль, в том числе, при пуске, нежесткой коммутации управляемого вентиля, возможности эффективно
питать удаленные от источника питания нагрузки.
Расширение области применения согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме согласованного 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 схема согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией.
Согласованный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией содержит, подключенную к входным выводам преобразователя частоты последовательную цепь, включающую управляемый вентиль 1 с встречно-параллельным диодом 2, коммутирующий дроссель 3, выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированные компенсирующим конденсатором 4, второй коммутирующий дроссель 5 и второй управляемый вентиль 6 с встречно-параллельным диодом 7, управляемые вентили включены встречно, зашунтированную конденсатором фильтра 8. Нагрузка 9 подключена 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 согласованного преобразователя частоты прикладывается переменное напряжение питания сетевой частоты (линейное или фазное напряжение питающей сети). Выходная частота согласованного преобразователя частоты превышает сетевую частоту. Импульсы управления на управляемый вентиль 1 подаются в моменты перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе 4 через ноль в положительную область значений (+ на верхней по схеме обкладке компенсирующего конденсатора 4) при
положительной полуволне питающего переменного напряжения сети (+на верхнем по схеме входном выводе), а на управляемый вентиль 6, в моменты перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе 4 через ноль в отрицательную область значений (+ на нижней по схеме обкладке компенсирующего конденсатора 4) при отрицательной полуволне питающего переменного напряжения сети (+ на нижнем по схеме входном выводе). Параметры коммутирующих дросселей 3, 5, емкость компенсирующего конденсатора 4 и конденсатора фильтра 8 выбраны из условия обеспечения колебательного характера тока в контуре: 8 - 3 - (4, 9) - 5 - 8, образующегося при включении управляемых вентилей 1 или 6. Собственная частота указанного контура приблизительно в 4 раза превышает выходную частоту устройства. Компенсирующий конденсатор 4 обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (индуктора или нагрузки) 9 и последовательную компенсацию, совместно с конденсатором фильтра 8 (при конечном значении его емкости), реактивной мощности коммутирующих дросселей 3, 5. Выходная частота устройства может быть выше собственной частоты параллельного нагрузочного контура (4, 9), если необходимо более высокое выходное напряжение согласованного преобразователя частоты. Коммутирующие дроссели 3, 5 могут выполняться в виде самостоятельных элементов или представляют собой индуктивности нагрузки (части нагрузки) и (или) соединительных отводящих шин (кабелей) согласованного преобразователя частоты. Полный цикл (период) выходного сигнала согласованного преобразователя частоты с резонансной коммутацией состоит из трех временных интервалов, соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 1, 6 и встречно-параллельных диодов 2, 7. В качестве управляемых вентилей могут быть использованы как однооперационные, так двухоперационные вентили без обратной или с обратной проводимостью (то есть со встречно-параллельным диодом). В случае применения управляемых вентилей без обратной проводимости схема устройства изменяется (управляемые вентили включаются встречно-параллельно). При этом электромагнитные
процессы в схеме согласованного преобразователя частоты качественно аналогичны. Рассмотрим вариант выполнения схемы на основе управляемого двухоперационного вентиля (транзистора) со встречно-параллельным диодом. Рассмотрим работу согласованного преобразователя частоты при положительной полуволне входного переменного напряжения сети. Основной (первый) интервал соответствует интервалу прямой проводимости управляемого вентиля 1. При включении управляемого вентиля 1 начинается колебательный заряд с положительной полярностью компенсирующего конденсатора 4 по цепи: 8 - 1 - 3 - (4, 9) - 5 - 7 - 8, от конденсатора фильтра 8 и источника питания согласованного преобразователя частоты. Одновременно происходит разряд компенсирующего конденсатора 4 через индуктор 9 в контуре: 4 - 9 - 4. После колебательного спада тока в цепи: 8 - 1 - 3 -(4, 9) - 5 - 7 - 8, до нуля компенсирующий конденсатор 4 заряжен до максимального положительного напряжения, которое превышает напряжение на конденсаторе фильтра 8. Начинается разряд (второй интервал) компенсирующего конденсатора 4 по цепи: (4, 9) - 3 - 2 - 8 - 6 - 5 - (4, 9). Через встречно-параллельный диод 2 управляемого вентиля 1 и управляемый вентиль 6 протекает обратный ток. Во втором интервале снимается импульс управления с управляемого вентиля 1. Одновременно также происходит разряд компенсирующего конденсатор 4 через индуктор 9 в контуре: 4 - 9 - 4. После колебательного спада тока в цепи: (4, 9) - 3 - 2 - 8 - 6 - 5 - (4, 9) до нуля встречно-параллельный диод 2 управляемого вентиля 1 и управляемый вентиль 6 выключаются. При этом напряжение на компенсирующем конденсаторе 4 еще остается положительным и его значение меньше значения напряжения на конденсаторе фильтра 8. На третьем временном интервале компенсирующий конденсатор 4 продолжает перезаряжаться в контуре: 4 - 9 - 4 до напряжения отрицательной полярности (+ на нижней по схеме обкладке) за счет энергии, накопленной в электромагнитных полях компенсирующего конденсатора 4 и индуктора 9. При максимальном отрицательном напряжении на компенсирующем конденсаторе 4 на управляемом вентиле 1 присутствует максимальное положительное напряжение, равное сумме
напряжений на конденсаторе фильтра 8 и компенсирующем конденсаторе 4 (приблизительно удвоенное напряжение питания). Третий интервал в работе согласованного преобразователя частоты заканчивается при полном разряде компенсирующего конденсатора 4. В момент перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе 4 через ноль в положительную область значений заканчивается период в работе согласованного преобразователя частоты, подается очередной импульс управления снова на управляемый вентиль 1 (если переменное напряжение сети остается положительным), включается управляемый вентиль 1 и начинается следующий период в работе согласованного преобразователя частоты. При использовании двухоперационного управляемого вентиля 1 третий интервал целесообразно устанавливать малой длительности выбором параметров элементов схемы, что обеспечивает более высокие энергетические показатели устройства. На интервале проводимости встречно-параллельного диода 2 к выключившемуся управляемому вентилю 1 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на встречно-параллельном диоде 2, и управляемый вентиль 1 может восстанавливать свои управляющие свойства (при использовании однооперационных вентилей). В этом случае длительность второго интервала устанавливается исходя из требуемого времени выключения используемого однооперационного управляемого вентиля 1. При отрицательном напряжении питающей сети электромагнитные процессы в схеме протекают аналогично, но меняется порядок работы управляемых вентилей 1, 6 и встречно-параллельных диодов 2, 7 (основной интервал работы формируется при включении управляемого вентиля 6).
Управляемые вентили 1, 6 при реализации согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией, как указано выше, могут быть выполнены как однооперационными симметричными или не имеющими обратной блокирующей способности (тиристоры различных типов, реверсивно-включаемые динисторы, газоразрядные вентили), так и двухоперационным, то есть
полностью управляемыми симметричными или несимметричными (запираемые тиристоры, транзисторы различных типов, комбинированные ключи).
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией. Это достигается возможностью применения согласованного преобразователя частоты для питания ответственных потребителей с повышенными требованиями к энергетическим показателям и надежности, удаленных нагрузок, за счет исключения двойного преобразования, повышения надежности работы за счет снижения величин напряжений на управляемых вентилях (более чем в два раза), уровней перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, нежесткой коммутацией управляемых вентилей, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора на корпус нагрузки за счет дросселей. Повышается устойчивость работы согласованного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией и уменьшается вероятность срывов инвертирования (при выполнении согласованного преобразователя частоты на однооперационных управляемых вентилях) при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку (индукционный нагреватель), а также сбоев в системе управления согласованного преобразователя частоты. Исключаются возможные броски тока большой амплитуды через управляемые вентили при пуске или сбоях в системе управления согласованного преобразователя частоты.
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части согласованного преобразователя частоты и расширена область применения за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов со сниженными требованиями к их параметрам
и более низкой ценой, возможности использования однооперационных вентилей. Согласованный преобразователь частоты использует непосредственно сетевой источник переменного напряжения. При этом конденсатор фильтра обеспечивает емкостную нагрузку для сети, что благоприятно сказывается на питающей сети. Согласованный преобразователь частоты может быть применен в системах с повышенными требованиями по влиянию вентильной нагрузки на питающую сеть.
По сравнению с прототипом дополнительно повышается коэффициент полезного действия согласованного преобразователя частоты за счет уменьшения коммутационных потерь энергии в управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах (снижение уровней коммутационных перенапряжений, начальных скоростей нарастания и скоростей спада тока при включениях и выключениях управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, рекуперация части энергии перенапряжений в нагрузку).