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 через дроссель фильтра к выходным выводам источника постоянного тока последовательную цепь, включающую конденсатор фильтра, коммутирующий дроссель, выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированные компенсирующим конденсатором, зашунтированную управляемым вентилем с встречно-параллельным диодом (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 высоких уровней напряжения на конденсаторе фильтра. Указанное ограничение 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 компенсирующий конденсатор и выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированную управляемым вентилем с встречно-параллельным диодом, выходные выводы источника постоянного тока зашунтированы конденсатором фильтра (А.с. 1830641 СССР, МКИ Н05В 6\06. Устройство для 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 высоких уровней напряжений на управляемом вентиле, встречно-параллельном диоде и коммутирующем конденсаторе. 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 компенсирующий конденсатор и выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированную управляемым вентилем с встречно-параллельным диодом (А.с. 1821945 СССР, МКИ Н05В 6\06. Устройство для индукционного нагрева \ Е.М.Силкин, С.В.Дзлиев, С.Н.Тазихин и др. - Заявл. 15.10.90, Опубл. 15.06.93, Б.И. №22).
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 высоких уровней токов и напряжений на управляемом вентиле, встречно-параллельном диоде и компенсирующем конденсаторе. 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 через дроссели фильтра к входным выводам преобразователя частоты последовательную цепь, включающую конденсатор фильтра, коммутирующий дроссель, выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированные компенсирующим конденсатором, второй коммутирующий дроссель и второй конденсатор фильтра, зашунтированную второй последовательной цепью, включающей соединенные встречно два управляемых вентиля с встречно-параллельными диодами.
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, 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 через дроссели фильтра I, 2 к входным выводам преобразователя частоты последовательную цепь, включающую конденсатор фильтра 3, коммутирующий дроссель 4, выходные выводы преобразователя частоты, зашунтированные компенсирующим конденсатором 5, второй коммутирующий дроссель 6 и второй конденсатор фильтра 7, зашунтированную второй последовательной цепью, включающей соединенные встречно два управляемых вентиля 8, 9 с встречно-параллельными диодами 10, 11. Нагрузка 12 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 8 подаются в моменты перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе 5 через ноль в положительную область значений (+ на верхней по схеме обкладке компенсирующего конденсатора 5) и при
положительной полуволне питающего переменного напряжения сети (+ на верхнем по схеме входном выводе), а на управляемый вентиль 9, в моменты перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе 5 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 4, 6, емкость компенсирующего конденсатора 5 и конденсаторов фильтра 3, 7 выбраны из условия обеспечения колебательного характера тока в контуре: 8(9) - 3 - 4 - (5, 12) - 6 - 7 - 11 (10) - 8, образующегося при включении управляемых вентилей 1 или 9. Собственная частота указанного контура приблизительно в 4 раза превышает выходную частоту устройства. Компенсирующий конденсатор 5 обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (индуктора или нагрузки) 12 и последовательную компенсацию, совместно с конденсаторами фильтра 3, 7 (при конечном значении их емкости), реактивной мощности коммутирующих дросселей 4, 6. Выходная частота устройства может быть выше собственной частоты параллельного нагрузочного контура (5, 12), если необходимо более высокое выходное напряжение согласованного преобразователя частоты. Коммутирующие дроссели 4, 6 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 8, 9 и встречно-параллельных диодов 10, 11. 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 8, 9 вентили включаются встречно-параллельно). При этом электромагнитные процессы в схеме согласованного преобразователя частоты качественно аналогичны. Дроссели фильтра 1, 2 имеют достаточно большую индуктивность и обеспечивают уменьшение влияния согласованного преобразователя частоты на питающую сеть. Форма тока, потребляемого из сети близка к синусоидальной. Рассмотрим вариант выполнения схемы на основе управляемых двухоперационных вентилей (транзисторов) со встречно-параллельными диодами. Рассмотрим работу согласованного преобразователя частоты при положительной полуволне входного переменного напряжения сети. Основной (первый) интервал соответствует интервалу прямой проводимости управляемого вентиля 8. При включении управляемого вентиля 8 начинается колебательный заряд с условно положительной полярностью (+ на нижней по схеме обкладке) компенсирующего конденсатора 5 по цепи: 3 - 8 - 11 - 7 - 6 - (5, 12) - 4 - 3, от конденсаторов фильтра 3, 7 и источника питания согласованного преобразователя частоты. Одновременно происходит разряд компенсирующего конденсатора 5 через индуктор 12 в контуре: 5 - 12 - 5. После колебательного спада тока в цепи: 3 - 8 - 11 - 7 - 6 - (5, 12) - 4 - 3, до нуля компенсирующий конденсатор 5 заряжен до максимального положительного напряжения, которое превышает суммарное напряжение на конденсаторах фильтра 3, 7. Начинается разряд (второй интервал) компенсирующего конденсатора 5 по цепи: (5, 12) - 6 - 7 - 9 - 10 - 3 - 4 - (5, 12). Через встречно-параллельный диод 10 управляемого вентиля 8 и управляемый вентиль 9 протекает обратный ток. Во втором интервале снимается импульс управления с управляемого вентиля 8. Одновременно также происходит разряд компенсирующего конденсатора 5 через индуктор 12 в контуре:5 - 12 - 5. После колебательного спада тока в цепи: (5, 12) - 6 - 7 - 9 - 10 - 3 - 4 - (5, 12) до нуля встречно-параллельный диод 10 управляемого вентиля 8 и управляемый вентиль 9 выключаются. При этом напряжение на компенсирующем конденсаторе 5 еще остается положительным и его значение меньше значения суммарного напряжения на конденсаторах фильтра 3, 7.
На третьем временном интервале компенсирующий конденсатор 5 продолжает перезаряжаться в контуре: 5 - 12 - 5 до напряжения отрицательной полярности (+ на верхней по схеме обкладке компенсирующего конденсатора 5) за счет энергии, накопленной в электромагнитных полях компенсирующего конденсатора 5 и индуктора 12. При максимальном отрицательном напряжении на компенсирующем конденсаторе 5 на управляемом вентиле 8 присутствует максимальное положительное напряжение, равное сумме напряжений на конденсаторах фильтра 3, 7 и компенсирующем конденсаторе 5 (приблизительно удвоенная амплитуда напряжения питания). Третий интервал в работе согласованного преобразователя частоты заканчивается при полном разряде компенсирующего конденсатора 5. В момент перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе 5 через ноль в положительную область значений заканчивается период в работе согласованного преобразователя частоты, подается очередной импульс управления снова на управляемый вентиль 8 (если переменное напряжение сети остается положительным), включается управляемый вентиль 8 и начинается следующий период в работе согласованного преобразователя частоты. При использовании двухоперационного управляемого вентиля 8 третий интервал целесообразно устанавливать малой длительности выбором параметров элементов схемы, что обеспечивает более высокие энергетические показатели устройства. На интервале проводимости встречно-параллельного диода 10 к выключившемуся управляемому вентилю 8 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на встречно-параллельном диоде 10, и управляемый вентиль 8 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 8. При отрицательном напряжении питающей сети электромагнитные процессы в схеме протекают аналогично, но меняется порядок работы управляемых вентилей 8, 9 и
встречно-параллельных диодов 10, 11 (основной интервал работы формируется при включении управляемого вентиля 9).
Управляемые вентили 8, 9 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 токов и 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 фильтра. 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.
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. 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).