ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в качестве источника питания для индукционных нагревателей. Полезная модель повышает надежность работы преобразователя частоты.
Известен преобразователь частоты, содержащий источник постоянного тока и автономный инвертор, выполненный в виде однофазного моста на управляемых вентилях, подключенного к выходным выводам источника постоянного тока через дроссели фильтра, выходные выводы преобразователя частоты зашунтированы компенсирующим конденсатором (П. 2284640 РФ, МКИ Н02М 7\538. Способ управления инвертором тока \ Силкин Е.М. - Заявл. 10.11.04, Опубл. 27.09.06. БИ №27).
Недостатком преобразователя частоты является низкая надежность работы на индукционный нагреватель, что обусловлено отсутствием защиты при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя.
Известен преобразователь частоты, содержащий источник постоянного тока и автономный инвертор, выполненный в виде однофазного моста на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, подключенного к выходным выводам источника постоянного тока через дроссели фильтра, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами преобразователя частоты через коммутирующие дроссели, выходные выводы преобразователя частоты зашунтированы компенсирующим конденсатором (П. 2220495 РФ, МКИ Н02М 7\5387. Инвертор тока \ Силкин Е.М. - Заявл. 18.03.02, Опубл. 27.12.03. БИ №36).
Недостатком преобразователя частоты является низкая надежность работы на индукционный нагреватель, что обусловлено отсутствием защиты при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является преобразователь частоты, содержащий источник постоянного тока, выполненный в виде трехфазного моста на управляемых вентилях, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты через дроссели, автономный инвертор, выполненный в виде однофазного моста на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, подключенного к выходным выводам источника постоянного тока через дроссели фильтра, и два коммутирующих дросселя, выходные выводы преобразователя частоты зашунтированы компенсирующим конденсатором, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами преобразователя частоты через коммутирующие дроссели (П. по з. №2007109433/22 (010263) РФ, МКИ Н02М 5\45. Преобразователь частоты \ Силкин Е.М. - Заявл. 14.03.07, Реш. о выдаче п. от 20.04.07.).
Указанный преобразователь частоты рассматривается в качестве прототипа полезной модели.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы, что обусловлено недостаточно эффективной защитой преобразователя частоты при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя, высокими скоростями нарастания тока и уровнями коммутационных потерь при выключении управляемых вентилей автономного инвертора, высокими уровнями напряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы преобразователя частоты, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в преобразователе частоты, содержащем источник постоянного тока, выполненный в виде трехфазного моста на управляемых вентилях, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты через дроссели, автономный инвертор, выполненный в виде однофазного моста на управляемых
вентилях с встречно-параллельными диодами, подключенного к выходным выводам источника постоянного тока через дроссели фильтра, и два коммутирующих дросселя, выходные выводы преобразователя частоты зашунтированы компенсирующим конденсатором, входные выводы постоянного тока однофазного моста зашунтированы конденсатором фильтра, а выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами преобразователя частоты через последовательные цепи, каждая из которых содержит коммутирующий дроссель и коммутирующий конденсатор.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы преобразователя частоты, что достигается эффективной защитой его от перегрузок и коротких замыканий индукционного нагревателя за счет конденсаторной развязки однофазного моста на управляемых вентилях, снижением скоростей нарастания токов вентилей и снижением уровней коммутационных потерь в управляемых вентилях автономного инвертора и напряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах.
Повышение надежности работы преобразователя частоты является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме преобразователя частоты, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого преобразователя частоты являются существенными.
На рисунке приведена электрическая схема преобразователя частоты.
Преобразователь частоты содержит источник постоянного тока, выполненный в виде трехфазного моста на управляемых вентилях 1-6, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты через дроссели 7-9, автономный инвертор, выполненный в виде однофазного моста на управляемых вентилях 10-13 с встречно-параллельными диодами 14-17, подключенного к выходным выводам источника
постоянного тока через дроссели фильтра 18, 19 и два коммутирующих дросселя 20, 21. Выходные выводы преобразователя частоты зашунтированы компенсирующим конденсатором 22. Входные выводы постоянного тока однофазного моста зашунтированы конденсатором фильтра 23. Выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами преобразователя частоты через последовательные цепи, каждая из которых содержит коммутирующий дроссель и коммутирующий конденсатор 24, 25. Нагрузка 26 подключена к выходным выводам преобразователя частоты.
Преобразователь частоты в установившемся режиме работает следующим образом. К входным выводам преобразователя частоты подключается трехфазный источник переменного напряжения питания (сеть). Трехфазный мост на управляемых вентилях 1-6 преобразует переменное напряжение сети в постоянное напряжение, которое прикладывается к входным выводам постоянного тока однофазного моста на управляемых вентилях 10-13 с встречно-параллельными диодами 14-17 инвертора через дроссели фильтра 18, 19. Суммарная индуктивность дросселей фильтра 18, 19 выбирается из условия качественного сглаживания входного тока инвертора, что обеспечивается превышением общим индуктивным сопротивлением дросселей фильтра 18, 19 на частоте работы инвертора эквивалентного сопротивления нагрузочного колебательного контура, образованного индукционным нагревателем 26 и компенсирующим конденсатором 22, более чем в три раза. Импульсы управления на пары управляемых вентилей 10, 13 и 11, 12 однофазного моста инвертора подаются поочередно с частотой, равной выходной частоте преобразователя частоты и собственной частоте нагрузочного колебательного контура, образованного индукционным нагревателем 26 и компенсирующим конденсатором 22. Работа инвертора на собственной частоте нагрузочного колебательного контура позволяет обеспечить близкие к оптимальным условия для коммутации управляемых вентилей 10-13 однофазного моста инвертора. Поочередное переключение пар управляемых вентилей 10, 13 и 11, 12 однофазного
моста инвертора формирует выходное переменное напряжение на нагрузочном колебательном контуре 22, 26. Коммутирующие дроссели 20, 21 и коммутирующие конденсаторы 24, 25 снижают уровень коммутационных перенапряжений и ограничивают скорость нарастания тока управляемых вентилей 10-13 в моменты переключений. Собственная частота эквивалентного последовательного контура, образованного последовательными цепями из элементов 20, 24 и 21, 25 выше собственной частоты нагрузочного колебательного контура 22, 26. Ток через управляемые вентили 10-13 изменяется по колебательному закону. Параметры элементов преобразователя 20-22, 24-26 выбираются из условия обеспечения естественного спада тока в диагонали переменного тока моста автономного инвертора за половину периода выходной частоты. Емкость конденсатора фильтра 23 имеет достаточную величину, обеспечивающую малую пульсацию напряжения на входных выводах постоянного тока однофазного моста инвертора.
Трехфазный мост на управляемых вентилях 1-6 работает в режиме полностью управляемого выпрямителя (источника постоянного тока) с фазовым регулированием. Фазовое регулирование выпрямителя обеспечивает требуемое изменение значения питающего (постоянного) напряжения на входе инвертора преобразователя частоты. Дроссели 7-9 ограничивают уровни перенапряжений при коммутациях управляемых вентилей 1-6 трехфазного моста выпрямителя.
Скачкообразное увеличение угла управления выпрямителя до 120 град. эл. переводит выпрямитель, работающего на нагрузку преобразователя частоты, в режим инвертора ведомого сетью. При этом входное постоянное напряжение инвертора снижается, а энергия, накопленная в электромагнитном поле дросселей фильтра 18, 19, рекуперируется в питающую сеть. Перевод регулируемого выпрямителя в режим инвертора ведомого сетью осуществляется при каждом выключении преобразователя частоты, а также в аварийных ситуациях, в том числе при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя
26. Регулирование значения постоянного напряжения на входе инвертора обеспечивает возможность стабилизации уровня напряжения на выходе преобразователя частоты и уровней прямых напряжений на управляемых вентилях 10-13 и обратных напряжений на встречно-параллельных диодах 14-17 однофазного моста.
Управляемыми вентилями 1-6 трехфазного моста выпрямителя также может осуществляться имитация работы «нулевого» вентиля при углах управления более 90 град. эл., что позволяет снизить пульсацию выпрямленного (постоянного) напряжения на входе инвертора и конденсаторе фильтра 23. Для имитации работы «нулевого» вентиля при больших углах управления включаются соответствующие вентили, смежные с основными работающими вентилями в плечах трехфазного моста выпрямителя.
В качестве управляемых вентилей 1-6 трехфазного моста выпрямителя в преобразователе частоты могут быть использованы однооперационные (SCR) тиристоры. В качестве управляемых вентилей 10-13 однофазного моста автономного инвертора применяются как однооперационные тиристоры или реверсивно-включаемые динисторы, так и полностью управляемые вентили (транзисторы, запираемые тиристоры), в том числе вентили, не имеющие обратной блокирующей способности. Встречно-параллельные диоды 14-17, в частности, могут быть выполнены на основе диодов Шоттки.
Дроссели насыщения 7-9 реализуются, например, в виде охватывающих соединительные шины сплошных (замкнутых) ферромагнитных сердечников, не имеющих зазоров из неферромагнетика.
Функцию коммутирующих дросселей 20, 21 полностью или частично может выполнять индуктивность соединительных шин преобразователя частоты с нагрузкой 22, 24-26.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы преобразователя частоты. Это достигается снижением уровней напряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах автономного инвертора за счет стабилизации на
уровне максимального постоянного напряжения на конденсаторе фильтра, снижением скорости нарастания прямого тока управляемых вентилей инвертора за счет колебательного характера его изменения в нагрузочной цепи, эффективной защитой от короткого замыкания индукционного нагревателя за счет действия симметричной емкостной развязки коммутирующими конденсаторами, ограничивающей ток через элементы преобразователя частоты.
По сравнению с прототипом, дополнительно, повышается коэффициент полезного действия преобразователя частоты за счет уменьшения коммутационных потерь энергии в управляемых вентилях (снижение уровней коммутационных перенапряжений и начальных скоростей нарастания и спада тока при включениях и выключениях управляемых вентилей автономного инвертора, рекуперация части энергии перенапряжений в конденсатор фильтра и источник питания).
Дополнительно, по сравнению с прототипом, может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части преобразователя частоты и уменьшена его стоимость за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей с пониженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой, а также более оптимального устройства силовой электрической схемы.
По сравнению с прототипом, дополнительно, расширяется область применения полезной модели за счет обеспечения регулирования электрического режима работы и (или) стабилизации выходных электрических параметров преобразователя частоты и индукционного нагревателя с большим быстродействием.