Статический полупроводниковый преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока
STATIC SEMICONDUCTOR FREQUENCY CONVERTER WITH INTERMEDIATE DIRECT CURRENT LINK

Изобретение относится к электротехнике, в частности к статическим преобразователям переменного напряжения на входе в переменное напряжение на выходе с промежуточным звеном постоянного тока.
Известен однофазный статический преобразователь переменного напряжения в переменное с непосредственной связью (патент на изобретение RU 2655674 H02M 5/02, H02M 5/04, 2018). В известном преобразователе частоты, содержащем четыре полупроводниковых ключа, два из которых соединены с одним полюсом источника напряжения, а два других с другим полюсом источника напряжения, блок управления ключами, трансформатор напряжения, содержащий первичную обмотку и вторичную обмотку. 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 полюсом источника напряжения.
Известное устройство относится к другому виду статических преобразователей частоты, а именно к статическим преобразователям частоты с непосредственной связью в отличие от заявляемого устройства, относящегося к виду статических преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока.
Известен статический преобразователь, преобразующий переменное напряжение на входе в переменное напряжение на выходе с промежуточным звеном постоянного тока (Глазенко Т.А., Гончаренко Р.Б. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. Энергия, Л., 1969, стр.6-10), принятый по совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога. Известный преобразователь содержит выпрямитель, фильтр и автономный инвертор напряжения. Инвертор содержит трансформатор и переключающие элементы в виде транзисторов. Инвертор питается от сети переменного тока через выпрямитель, на выходе которого устанавливается силовой сглаживающий фильтр. К каждому транзистору для обеспечения обмена реактивной энергией между источником питания и приемником параллельно включен диод.
Недостатком ближайшего аналога являются большие массогабаритные размеры устройства из-за больших габаритов и веса сглаживающего фильтра и использования избыточного количества полупроводниковых приборов. При питании инвертора от сети промышленной частоты через выпрямитель ток в цепи питания коммутируется с низкой частотой, что приводит к применению сглаживающего фильтра больших габаритов и веса. При широтно-импульсном управлении полупроводниковыми ключами необходима задержка начала времени включения ключей инвертора с целью предотвращения режима короткого замыкания ключей в моменты их переключения. Для этого используют диоды, включенные параллельно ключам, также увеличивающие массогабаритные размеры преобразователя.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение габаритов и веса статического преобразователя частоты с промежуточном звеном постоянного тока.
Технический результат достигается тем, что в статическом полупроводниковом преобразователе частоты с промежуточным звеном постоянного тока, содержащем блок управления, выпрямитель, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, полупроводниковые ключи в виде транзисторов, 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 ключа от одного полюса выпрямителя соединены с первым и третьим выводами первичной обмотки, а два других ключа от другого полюса выпрямителя соединены с началом и вторым выводом первичной обмотки.
Технический результат обеспечивается за счет схемы подключения полупроводниковых ключей в виде транзисторов к полюсам выпрямителя и 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 обеспечить обмен реактивной энергией между источником питания и приемником и исключить возникновение сквозных токов и короткого замыкания в момент переключения полупроводниковых ключей в преобразователе частоты с промежуточным звеном постоянного тока. В заявляемой схеме, в отличие от аналога, невозможно образование короткозамкнутых участков между полупроводниковыми ключами и выпрямителем в момент времени, когда в силу особенности работы транзисторов, 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.  Исключение возникновения короткого замыкания в заявляемом преобразователе позволяет не использовать сглаживающий фильтр, подключаемый к выходу выпрямителя, и не использовать диоды, подключаемые параллельно полупроводниковым ключам, что снижает габариты и вес статического преобразователя частоты.
На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя.
=
н
вых
На фиг.2 приведен алгоритм работы ключей, формируемый блоком управления, и показан вид напряжения на выходе выпрямителя (U) и на нагрузке Z (U).
н
Статический преобразователь частоты содержит источник переменного тока Е, выпрямитель Е1, 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 трансформатора. Ключ 3 соединен с выводом 3 трансформатора. Ключ 2 соединен с началом первичной обмотки трансформатора. Ключ 4 соединен с выводом 2 трансформатора. Ключи 1 и 3 вторыми выводами соединены с одним полюсом выпрямителя, Ключи 2 и 4 вторыми выводами соединены со вторым полюсом выпрямителя.
Полупроводниковые ключи выполняют в виде транзисторов, например, в виде биполярных силовых транзисторов.
Блок управления БУ 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.
Работа преобразователя показана на примере, когда частота переключения ключей, соединенных с одним полюсом выпрямителя, в два раза выше частоты переключения ключей, соединенных с другим полюсом выпрямителя (фиг.2).
Работа преобразователя в основные рабочие периоды осуществляется следующим образом.
н
вых
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, выпрямитель. ключ 1, секция А первичной обмотки трансформатора, ключ 2. При этом на вторичной обмотке трансформатора и нагрузке Z  формируется положительное напряжение U.
н
вых
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, выпрямитель, ключ 3, секции D первичной обмотки трансформатора, ключ 2. На вторичной обмотке трансформатора и нагрузке Z  формируется положительное напряжение U.
н
вых
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, выпрямитель, ключ 1, секция В первичной обмотки трансформатора, ключ 4. На вторичной обмотке трансформатора и нагрузке Z  формируется отрицательное напряжение U.
н
вых
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, выпрямитель, ключ 3, секция С первичной обмотки трансформатора, ключ 4. На вторичной обмотке трансформатора и нагрузке Z  формируется отрицательное напряжение U.
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, выпрямитель, ключ 1, секция, первичной обмотки А, ключ 2, а также источник питания Е, выпрямитель, 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, выпрямитель, ключ 1, секция первичной обмотки В, ключ 4, а также источник питания Е, выпрямитель, 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, выпрямитель, 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 обеспечивается непрерывное протекание тока и обмен реактивной энергии в цепи – источник питания, выпрямитель, ключ, трансформатор в основные режимы работы преобразователя.
В переходные периоды работы преобразователя ток обязательно проходит по участкам первичной обмотки трансформатора, исключая возникновение короткого замыкания.
Все это позволяет исключить использование сглаживающего фильтра и излишних полупроводниковых приборов в виде диодов, увеличивающих габариты и вес преобразователей частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет обеспечить снижение массогабаритных размеров статического преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.