ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ЯВНО ВЫРАЖЕННЫМ ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в качестве источника питания для индукционных нагревателей.
Известен преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, содержащий источник постоянного тока и автономный однофазный мостовой инвертор тока с квазирезонансной коммутацией, входные выводы постоянного тока которого соединены с выходными выводами источника постоянного тока через дроссели фильтра и зашунтированы встречным диодом, а выходные выводы переменного тока соединены с выходными выводами преобразователя частоты для подключения нагрузки в виде параллельного колебательного контура через коммутирующий дроссель (А.с. 1758812 СССР, МКИ Н02М 5\45. Параллельный инвертор тока \ Силкин Е.М. и др. - Заявл. 20.10.89, Опубл. 01.05.92, БИ №32).
Недостатком преобразователя частоты является низкая надежность работы на индукционный нагреватель, что обусловлено отсутствием эффективной защиты от коммутационных перенапряжений элементов инвертора и от срывов инвертирования при работе на изменяющуюся технологическую нагрузку, недостаточно эффективным ограничением аварийного тока при замыкании выходного вывода для подключения нагрузки, не соединенного с коммутирующим дросселем, на «землю».
Известен преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, содержащий трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель, входные выводы переменного тока которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и автономный однофазный мостовой инвертор тока с квазирезонансной коммутацией, входные выводы постоянного тока которого соединены с выходными выводами постоянного тока выпрямителя через дроссель фильтра и зашунтированы встречным диодом, а выходные
выводы переменного тока соединены с выходными выводами преобразователя частоты для подключения нагрузки в виде параллельного колебательного контура через коммутирующий дроссель (А.с. 1758802 СССР, МКИ Н02М 5\45. Статический преобразователь частоты \ Силкин Е.М. - Заявл. 05.06.89, Опубл. 30.08.92, БИ №32).
Недостатком преобразователя частоты является низкая надежность работы на индукционный нагреватель, что обусловлено отсутствием эффективной защиты от коммутационных перенапряжений элементов выпрямителя и инвертора и от срывов инвертирования при работе на изменяющуюся технологическую нагрузку, недостаточно эффективным ограничением аварийного тока при замыкании выходного вывода для подключения нагрузки, не соединенного с коммутирующим дросселем, а также из-за отсутствия второго дросселя фильтра, на «землю».
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, содержащий трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель, входные выводы переменного тока которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и автономный однофазный мостовой инвертор тока с квазирезонансной коммутацией, входные выводы постоянного тока которого соединены с выходными выводами постоянного тока выпрямителя через дроссели фильтра и зашунтированы встречным диодом, а выходные выводы переменного тока соединены с выходными выводами преобразователя частоты для подключения нагрузки в виде параллельного колебательного контура через коммутирующий дроссель (А.с. 1683150 СССР, МКИ Н02М 5\45. Преобразователь частоты \ Силкин Е.М. - Заявл. 03.03.89, Опубл. 08.06.91, БИ №37).
Указанный преобразователь частоты рассматривается в качестве прототипа полезной модели.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы на индукционный нагреватель,
что обусловлено отсутствием эффективной защиты от коммутационных перенапряжений элементов выпрямителя и инвертора и от срывов инвертирования при работе на изменяющуюся технологическую нагрузку, недостаточно эффективным ограничением аварийного тока при замыкании выходного вывода для подключения нагрузки, не соединенного с коммутирующим дросселем, на «землю».
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на изменяющуюся технологическую нагрузку, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока содержит трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель, входные выводы переменного тока которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, а выходные выводы постоянного тока зашунтированы ограничителем напряжения, и автономный однофазный мостовой инвертор тока с квазирезонансной коммутацией, входные выводы постоянного тока которого соединены с выходными выводами постоянного тока выпрямителя через дроссели фильтра и зашунтированы вторым ограничителем напряжения и встречным диодом, а выходные выводы переменного тока соединены с выходными выводами преобразователя частоты для подключения нагрузки с результирующей емкостной реакцией через коммутирующие дроссели.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, что достигается эффективной защитой его от перенапряжений на выходных выводах выпрямителя и на входных выводах постоянного тока инвертора, а также возможных аварийных коротких замыканий индукционного нагревателя (технологической нагрузки) на «землю» за счет дроссельной развязки входных и выходных выводов, возможностью осуществления эффективной сеточной защиты с переводом трехфазного мостового полностью
управляемого выпрямителя в режим инвертора ведомого сетью, улучшением характеристик по электромагнитной совместимости, снижением вероятности сбоев в системе управления преобразователем частоты с явно выраженным звеном постоянного тока и срывов инвертирования.
Повышение надежности работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока 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 с явно выраженным звеном постоянного тока являются существенными.
На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, на фиг.2 изображены варианты выполнения основных (типовых) схем технологической нагрузки с результирующей емкостной реакцией.
Преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока в трехфазном исполнении содержит трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель на шести вентилях 1-6, входные выводы переменного тока которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, а выходные выводы постоянного тока зашунтированы ограничителем напряжения 7, и автономный однофазный мостовой инвертор тока с квазирезонансной коммутацией на четырех вентилях 8-11, входные выводы постоянного тока которого соединены с выходными выводами постоянного тока выпрямителя через дроссели фильтра 12, 13 и зашунтированы вторым ограничителем напряжения 14 и встречным диодом 15, а выходные выводы переменного тока соединены с выходными выводами преобразователя частоты для подключения нагрузки 16 с результирующей емкостной реакцией через коммутирующие дроссели 17, 18.
Нагрузка (16) с результирующей емкостной реакцией может быть выполнена в виде схем с простой последовательной компенсацией, содержащих индуктор 19 индукционного нагревателя с загрузкой (а) и компенсирующей емкости 20 (а), с последовательной компенсацией и дополнительным разделительным конденсатором 21 (b), с параллельной компенсацией (в виде параллельного колебательного контура основного или так называемого первого вида) (с), с параллельной компенсацией и разделительным конденсатором (d), с параллельной компенсацией и двумя разделительными конденсаторами 21, 22 (симметричная схема) (е), с параллельной компенсацией и неполным включением емкости 20 (контур второго вида) (f), с параллельной компенсацией и неполным включением индуктивности индуктора 19 (контур третьего вида) (g), с параллельной компенсацией, неполным включением индуктивности индуктора 19 и дополнительным разделительным конденсатором (h).
Емкостная реакция схемы последовательной компенсации обеспечивается работой преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на выходной частоте, ниже частоты последовательного резонанса напряжений контура, образованного индуктором и компенсирующей емкости. Емкостная реакция схемы параллельной компенсации обеспечивается работой преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на выходной частоте, выше частоты параллельного резонанса токов контура, образованного индуктором и компенсирующей емкости (режим работы с углом опережения). Результирующая емкостная реакция в остальных схемах обеспечивается выбором параметров элементов нагрузки 16 (19- 22) и выходной частоты преобразователя.
Возможны и другие схемы компенсации реактивности нагрузки 16 (системы связанных контуров, П- или Т-образные схемы). Основополагающим для заявляемого преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока является характер (результирующая реакция) нагрузки 16, который должен быть емкостным.
Преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока в установившемся режиме работает следующим образом. Входные выводы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока подключаются к трехфазному источнику переменного напряжения питания (сети). Трехфазный полностью управляемый мост (выпрямитель) на управляемых вентилях 1-6 (в случае использования однофазного источника переменного напряжения сети применяется однофазный мостовой полностью управляемый выпрямитель, однофазный мост) преобразует переменное напряжение сети в знакопостоянное напряжение (ток), которое прикладывается к входным выводам постоянного тока однофазного моста инвертора тока с квазирезонансной коммутацией на управляемых вентилях 8-11 через дроссели фильтра 12, 13. Дроссели фильтра 12, 13 выполняются магнитосвязанными с последовательным согласным включением, либо с отсутствием магнитной связи (раздельное исполнение). Дроссели фильтра 12, 13 имеют магнитную связь и включаются согласно для увеличения суммарной индуктивности. Суммарная индуктивность дросселей фильтра 12, 13 выбирается из условия качественного сглаживания входного тока автономного однофазного мостового инвертора тока (входного тока инвертирующей части преобразователя частоты), что обеспечивается превышением общим индуктивным сопротивлением дросселей фильтра 12, 13 на частоте работы преобразователя эквивалентного сопротивления нагрузки 16 с результирующей емкостной реакцией, образованной индукционным нагревателем 19 и компенсирующими (разделительными) конденсаторами 20- 22, более чем в три раза. Однофазный мост инвертора тока с квазирезонансной коммутацией преобразует знакопостоянное напряжение на входе в переменное напряжение необходимой частоты, прикладываемое к нагрузке 16 с результирующей емкостной реакцией через коммутирующие дроссели 17, 18. Параметры элементов преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока 17-22 выбираются из условия обеспечения естественного спада тока управляемых вентилей 8-11 (режим квазирезонансной
коммутации). Каждое очередное включение пары управляемых вентилей 8, 11 или 9, 10 формирует полупериод выходного переменного напряжения на нагрузке 16. Полный цикл (период) в работе преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока соответствует циклу работы всех вентилей 8-11 автономного однофазного мостового инвертора тока с квазирезонансной коммутацией и встречного диода 15. Собственная частота эквивалентного последовательного контура, образованного последовательными цепями из элементов 17, 18 и «эквивалентной емкости» нагрузки 16 в 4-6 раз выше выходной частоты (частоты управления) преобразователя (работа в режиме инвертора тока). Ток через управляемые вентили 8-11 в интервалах коммутации изменяется по колебательному закону и обеспечивается естественное выключение управляемых вентилей 8-11 автономного однофазного мостового инвертора тока с квазирезонансной коммутацией. После выключения управляемых вентилей 8, 11 или 9, 10 может включаться встречный диод 15. При реализации автономного однофазного мостового инвертора тока с квазирезонансной коммутацией на однооперационных вентилях 8-11 время проводимости встречного диода 15 определяет интервал времени, предоставляемый для восстановления управляющих свойств вентилей 8-11. Интервал коммутации имеет конечное время. Дроссели фильтра 12, 13 предотвращают рост выходного тока трехфазного мостового полностью управляемого выпрямителя в интервалах коммутации (одновременной проводимости управляемых вентилей 8-11). Далее в работе преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока формируется интервал «паузы» (работают управляемые вентили 8,11 или 9, 10). Нагрузка 16 в указанном интервале питается квазипостоянным током дросселей фильтра 12, 13. Полупериод в работе преобразователя частоты заканчивается в момент включения очередной пары управляемых вентилей (соответственно 9, 10 или 8, 11). Далее электромагнитные процессы (на следующем полупериоде) в преобразователе частоты с явно выраженным звеном постоянного тока полностью повторяются.
Ограничитель напряжения 7 ограничивает коммутационные перенапряжения на выходных выводах трехфазного мостового полностью управляемого выпрямителя при коммутациях управляемых вентилей 1-6, а также снижают уровень электромагнитных помех, обусловленных скачкообразными изменениями токов и напряжений выпрямительной части преобразователя частоты и защищает элементы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока при аварийных сбоях в системе управления трехфазного мостового полностью управляемого выпрямителя, связанных с несанкционированным снятием (исчезновением) импульсов управления вентилями 1-6.
Для ограничения начальных скоростей нарастания и спада токов управляемых вентилей 8-11 и встречного диода 15 и осуществления режима квазирезонансной коммутации используются коммутирующие дроссели 17, 18. Коммутирующие дроссели 17, 18 служат также для симметричного дополнительного ограничения аварийных токов при коротких замыканиях выводов нагрузки 16 (индукционного нагревателя) на «землю». Коммутирующие дроссели 17, 18 могут быть магнитосвязанными. Функцию коммутирующих дросселей 17, 18 полностью или частично выполняет индуктивность соединительных электрических линий для подключения нагрузки 16 с результирующей емкостной реакцией к выходным выводам преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока.
Для защиты управляемых вентилей 8-11 и встречного диода 15 от коммутационных перенапряжений, возникающих при выключении встречного диода 15, и снижения уровней электромагнитных помех в схеме преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока устанавливается второй ограничитель напряжения 14.
Трехфазный мост на управляемых вентилях 1-6 работает в режиме полностью управляемого выпрямителя (источника постоянного тока) с фазовым регулированием. Фазовое регулирование трехфазного мостового полностью управляемого выпрямителя обеспечивает
требуемое изменение значения питающего (знакопостоянного) напряжения на входе инвертирующей части (8-11) преобразователя частоты и требуемый уровень выходного напряжения (мощности) преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока.
Скачкообразное увеличение угла управления выпрямителя до 120 град. эл. переводит трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель, работающего на технологическую нагрузку преобразователя частоты, в режим инвертора ведомого сетью. При этом входное постоянное напряжение инвертирующей части преобразователя частоты снижается, а энергия, накопленная в электромагнитном поле дросселей фильтра 12, 13, рекуперируется в питающую сеть. Перевод регулируемого трехфазного мостового полностью управляемого выпрямителя в режим инвертора ведомого сетью осуществляется при каждом выключении преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, а также в аварийных ситуациях, в том числе при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя 19. Регулирование значения постоянного напряжения на входе инвертирующей части преобразователя частоты обеспечивает возможность стабилизации уровня напряжения на выходе преобразователя частоты и уровней прямых напряжений на управляемых вентилях 8-11 автономного однофазного мостового инвертора тока с квазирезонансной коммутацией и обратного напряжения на встречном диоде 15.
Управляемыми вентилями 1-6 трехфазного моста выпрямителя также может осуществляться имитация работы «нулевого» вентиля при углах управления более 90 град. эл., что позволяет повысить коэффициент мощности при регулировании и снизить пульсацию выпрямленного (знакопостоянного) напряжения на входе инвертирующей части преобразователя (8-11). Для имитации работы «нулевого» вентиля при больших углах управления включаются соответствующие вентили из числа 1-6, смежные с основными работающими вентилями в плечах трехфазного моста полностью управляемого выпрямителя.
В качестве управляемых вентилей 1-6 трехфазного моста полностью управляемого выпрямителя в преобразователе частоты могут быть использованы обычные однооперационные (SCR) тиристоры. Могут быть использованы и полностью управляемые (двухоперационные) вентили. В качестве управляемых вентилей 8-11 однофазного моста инвертирующей части преобразователя применяются как однооперационные быстродействующие тиристоры или реверсивно-включаемые динисторы, так и полностью управляемые вентили (транзисторы, запираемые тиристоры), в том числе вентили, не имеющие обратной блокирующей способности. Встречный диод 15, в частности, может быть выполнен на основе диода Шоттки. В качестве ограничителей напряжения 7, 14 используются, например, кремниевые симметричные ограничители напряжения типа ОНС.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока. Это достигается снижением уровней напряжений на управляемых вентилях автономного однофазного мостового инвертора тока с квазирезонансной коммутацией и встречном диоде за счет стабилизации, в частности, регулированием выпрямителя, снижением скорости нарастания прямого тока управляемых вентилей автономного однофазного мостового инвертора тока с квазирезонансной коммутацией и встречного диода за счет колебательного характера его изменения в нагрузочной цепи и действия коммутирующих дросселей, эффективной защитой от перенапряжений элементов преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока за счет действия ограничителей напряжения и от короткого замыкания индукционного нагревателя за счет действия симметричной дроссельной развязки коммутирующими дросселями, ограничивающей ток через элементы преобразователя частоты, а также возможностью перевода полностью управляемого выпрямителя в режим инвертора ведомого сетью при его выключении. Улучшается электромагнитная совместимость преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока с питающей сетью и снижается
уровень электромагнитных помех за счет качественного ограничения перенапряжений. Эффективно предотвращаются возможные несанкционированные выключения управляемых вентилей моста выпрямителя при его работе из-за влияния инвертирующей части. Возможность регулирования выпрямленного напряжения полностью управляемого выпрямителя при пуске преобразователя частоты позволяет оптимизировать пуск и исключить перегрузки элементов по току и перенапряжения, обусловленные слабым демпфированием системы с индукционным нагревателем. Практически исключаются сбои в системе управления преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока и срывы инвертирования за счет снижения уровней электромагнитных помех.
По сравнению с прототипом, дополнительно, повышается коэффициент полезного действия преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока 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 и встречного диода).
Дополнительно, по сравнению с прототипом, может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока и уменьшена его стоимость за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречного диода 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 безаварийного регулирования электрического режима работы и (или) стабилизации выходных электрических параметров преобразователя частоты и индукционного нагревателя (нагрузки) с требуемым быстродействием.