Однофазный статический преобразователь частоты с непосредственной связью
SINGLE-PHASE DIRECT-COUPLING STATIC FREQUENCY CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к статическим преобразователям переменного напряжения на входе в переменное напряжение на выходе для изменения частоты без промежуточного преобразования и может быть использовано для преобразования переменного напряжения низкой частоты в переменное напряжение высокой частоты.
Известен статический преобразователь переменного напряжения в переменное (патент на изобретение RU 2025029 C1, H02M 5/12, 1994), состоящий из полупроводниковых ключей, блока управления и трансформатора напряжения, содержащего первичную и вторичную обмотки.
Недостатком таких преобразователей является невозможность преобразования переменного напряжения низкой частоты в переменное напряжение высокой частоты.
Известен статический преобразователь, преобразующий постоянное напряжение на входе в переменное напряжение на выходе с помощью статического преобразователя – автономный инвертор напряжения (Глазенко Т.А., Гончаренко Р.Б. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. Энергия, Л., 1969, стр. 10), принятый по совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога. Известный преобразователь содержит четыре полупроводниковых ключа, два из которых соединены с одним полюсом источника напряжения, а два других с другим полюсом источника напряжения, блок управления ключами  и трансформатор напряжения, содержащий первичную обмотку и вторичную обмотку.
Недостатком ближайшего аналога является невозможность преобразования переменного напряжения на входе в переменное напряжение на выходе из-за необходимости широтно-импульсного управления полупроводниковыми ключами, обеспечивающего задержку начала времени включения ключей с целью предотвращения режима короткого замыкания ключей в моменты их переключения и принятия специальных мер для обмена реактивной энергией между источником питания и нагрузкой в моменты переключения ключей, для чего используют промежуточные выпрямительные устройства, увеличивающие массогабаритные размеры преобразователя.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение возможности преобразования переменного напряжения низкой частоты в переменное напряжение высокой частоты без промежуточного преобразования.
Технический результат достигается тем, что в однофазном статическом преобразователе напряжения с непосредственной связью, включающем четыре полупроводниковых ключа, два из которых соединены с одним полюсом источника напряжения, а два других со другим полюсом источника напряжения, блок управления ключами, трансформатор напряжения, содержащий первичную обмотку и вторичную обмотку, согласно изобретению первичная обмотка трансформатора выполнена с тремя выводами, делящими ее на четыре секции с одинаковым числом витков, начало первичной обмотки соединено  с концом первичной обмотки, два полупроводниковых ключа от одного полюса источника напряжения соединены с первым и третьим выводами первичной обмотки, а два других полупроводниковых ключа от другого полюса источника напряжения соединены с началом и вторым выводом первичной обмотки,  частота переключения ключей, соединенных с одним  полюсом источника напряжения, в два раза выше частоты переключения ключей, соединенных с другим источником напряжения.
Технический результат обеспечивается за счет схемы подключения ключей к первичной обмотке трансформатора, разделенной на четыре секции с равным количеством витков тремя выводами, и соединения начала первичной обмотки с ее концом. Заявляемая схема позволяет исключить возникновение сквозных токов и короткого замыкания в момент переключения полупроводниковых ключей. В заявляемой схеме в отличие от аналога невозможно образование прямых участков между ключами в момент времени, когда в силу особенности работы полупроводниковых ключей происходит задержка размыкания одних ключей при замыкании других. В заявляемом преобразователе в такие переходные моменты ток всегда будет проходить по какому-либо участку первичной обмотки трансформатора, что исключает возникновение короткого замыкания без принятия специальных мер. За счет задаваемого блоком управления алгоритма переключения ключей, при котором частота переключения ключей, соединенных с одним полюсом источника напряжения, в два раза выше частоты переключения ключей, соединенных с другим источником напряжения, осуществляется  повышение частоты на входе. Таким образом, заявляемое устройство  позволяет осуществлять преобразование переменного тока низкой частоты в переменный ток высокой частоты без промежуточного преобразования.
На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя.
На фиг.2 приведен алгоритм работы ключей, формируемый блоком управления, и показан вид напряжения на обмотках трансформатора и на нагрузке при частоте источника переменного напряжения ниже частоты преобразователя.
На фиг.3 приведен алгоритм работы ключей, формируемый блоком управления, и показан вид напряжения на обмотках трансформатора и на нагрузке при работе преобразователя от источника переменного напряжения, имеющего частоту больше частоты преобразователя.
н
Однофазный статический преобразователь частоты с непосредственной связью содержит источник переменного тока Е, полупроводниковые ключи 1, 2, 3, 4, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, первичная обмотка которого поделена на секции А, В, С, D с равным количеством витков и тремя выводами, а к вторичной обмотке подключена нагрузка Z  и блок управления БУ. Ключ 1 соединен с выводом 1. Ключ 3 соединен с выводом 3. Ключ 2 соединен с началом первичной обмотки трансформатора. Ключ 4 соединен с выводом 2.
Блок управления представляет собой генератор с двумя последовательно соединенными синхронными триггерами, позволяющими формировать необходимые сигналы для осуществления заданного алгоритма переключения ключей (фиг.2).
Преобразователь работает следующим образом.
Блок управления задает алгоритм работы ключей, показанный на фиг.2.
Рабочий процесс преобразователя состоит из основных рабочих периодов, когда одни ключи разомкнуты, а другие замкнуты, и вынужденных переходных моментов, когда при переключении полупроводниковых ключей происходит задержка при размыкании замкнутых ключей.
Пример работы преобразователя в основные рабочие периоды.
н
Пусть в исходный момент времени блоком управления БУ сформирован сигнал на  замыкание ключей 1 и 2. Ключи 3 и 4 разомкнуты. Тогда к секции А первичной обмотки трансформатора приложено напряжение Е и ток протекает по цепи: источник питания Е, ключ 1, секция А первичной обмотки трансформатора, ключ 2. При этом на вторичной обмотке трансформатора и нагрузке Z  формируется положительное напряжение.
н
По истечении определенного времени блоком управления формируются сигналы на одновременное размыкание ключа 1 и замыкание ключа 3. Ключ 2 остается замкнутым, а ключ 4  разомкнут. Тогда  ток протекает по цепи: источник питания Е, ключ 3, секции D первичной обмотки трансформатора, ключ 2. На вторичной обмотке трансформатора и нагрузке Z  формируется положительное напряжение.
н
По истечении определенного времени блоком управления формируются сигналы на одновременное размыкание ключей 2, 3 и замыкание ключей 1, 4. Тогда ток протекает по цепи : источник питания Е, ключ 1, секция В первичной обмотки трансформатора, ключ 4. На вторичной обмотке трансформатора и нагрузке Z  формируется отрицательное напряжение.
н
По истечении определенного времени блоком управления формируются сигналы на одновременное размыкание ключа 1 и замыкание ключа 3. Ключ 2 остается разомкнутым, а ключ 4 замкнутым. Тогда ток протекает по цепи : источник питания Е, ключ 3, секция С первичной обмотки трансформатора, ключ 4. На вторичной обмотке трансформатора и нагрузке Z  формируется отрицательное напряжение.
Дальнейшее переключение ключей происходит в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг.2, в соответствии с которым ключи 1 и 3 переключаются в два раза чаще, чем ключи 2 и 4.
Работа преобразователя в переходные моменты протекает следующим образом.
При переключении ключей 1 и 3 при закрытом ключе 2 из-за свойственной полупроводникам задержки переключения в какой-то момент времени будут одновременно замкнуты ключи 1 и 3, а также ключ 2. В этот период ток пойдет по цепи следующим образом: источник питания Е, ключ 1, секция первичной обмотки А, ключ 2, а также  источник питания Е, ключ 3, секция первичной обмотки D, ключ 2.
Другим переходным моментом является момент времени, когда переключаются ключи 1 и 3 при замкнутом ключе 4. В момент, когда одновременно будут замкнуты ключи 1 и 3, а также ключ 4, ток будет протекать следующим образом: источник питания Е, ключ 1, секция первичной обмотки В, ключ 4, а также источник питания Е, ключ 3, секция первичной обмотки С, ключ 4.
н
Наиболее тяжелый момент времени, когда происходит одновременное размыкание ключей 2 и 3 и замыкание ключей 1 и 4 или одновременное размыкание ключей 3 и 4 и замыкание ключей 1 и 2. На период задержки времени размыкания ключей 2 и 3 или 3 и 4, вызванного спецификой работы полупроводниковых приборов, будут одновременно замкнуты все четыре ключа. Ток в этот период времени будет протекать по цепи: источник питания Е, ключи 1 и 3, секции А, В, С, D первичной обмотки трансформатора, ключи 2 и 4. На вторичной обмотке трансформатора и нагрузке Z  напряжение будет равно нулю. Максимальная величина тока через ключи ограничивается активным сопротивлением секций А, В, С, D первичной обмотки трансформатора. Скорость нарастания тока через ключи определяется индуктивностью рассеяния первичной обмотки трансформатора и индуктивностью, вызванной остаточной намагниченностью сердечника трансформатора. В связи с этим и в данный переходный период исключается возникновение короткого замыкания
Таким образом, в переходные периоды работы преобразователя ток обязательно проходит по участкам первичной обмотки трансформатора, исключая возникновение короткого замыкания. В результате чего отпадает необходимость использования промежуточных устройств и специальных средств для защиты от возникновения короткого замыкания.
Преобразователь способен работать как при частоте питающей сети меньше выходной частоты преобразователя, так и при частоте питающей сети больше частоты выходной частоты преобразователя. Вид напряжения на вторичной обмотке трансформатора и нагрузке при работе преобразователя от источника переменного напряжения, имеющего частоту меньше частоты преобразователя, также показан на фиг.2. Вид напряжения на нагрузке при работе преобразователя от источника переменного напряжения, имеющего  частоту больше частоты преобразователя, а также алгоритм работы ключей показаны на Фиг.3.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет обеспечить возможность преобразования переменного напряжения низкой частоты в переменное напряжение высокой частоты без промежуточного преобразования.