ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ЯВНО ВЫРАЖЕННЫМ ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА
CONVERTER OF FREQUENCY WITH EXPLICIT DC LINK

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использована в качестве источника питания для индукционных нагревателей. Изобретение направлено на повышение надежности работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока.
Известен преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, содержащий однофазный мостовой полууправляемый выпрямитель, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и однофазный инвертор, подключенный к выходным выводам выпрямителя через первый и второй дроссели фильтра, включающий последовательную цепь, содержащую разделительный конденсатор и выходные выводы преобразователя частоты, дроссели фильтра имеют магнитную связь и включены согласно, конденсатор фильтра, общая точка соединения дросселей соединена через конденсатор фильтра с вторым выходным выводом выпрямителя, общая точка соединения второго дросселя фильтра и разделительного конденсатора соединена через управляемый вентиль, включенный в прямом направлении и зашунтированный встречным диодом, с вторым выходным выводом выпрямителя (А.с. СССР 1778894, МКИ Н02М 5/45. Преобразователь переменного тока для питания индуктора / Дзлиев С.В, Силкин Е.М., Тазихин С.Н. - Заявл. 01.10.90. Опубл. 30.11.92, БИ №44).
Недостатком преобразователя частоты является низкая надежность работы на индукционный нагреватель, что обусловлено отсутствием эффективной защиты и токоограничения при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя, а также при срывах инвертирования и замыканиях выходных выводов на корпус устройства.
Известен преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, содержащий трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и однофазный инвертор, подключенный к выходным выводам выпрямителя через первый и второй дроссели фильтра, включающий последовательную цепь, состоящую из дросселя насыщения, управляемого вентиля, зашунтированного встречно-параллельным диодом, второго дросселя насыщения, зашунтированного второй последовательной цепью, содержащей разделительный конденсатор, коммутирующий дроссель, выводы переменного тока инвертора, подключенных к выходным выводам преобразователя частоты, второго коммутирующего дросселя и второго разделительного конденсатора, компенсирующий конденсатор, шунтирующий выводы переменного тока инвертора (патент РФ 0071834, МКИ Н02М 5/45. Преобразователь частоты / Силкин Е.М. - Заявл. 27.11.07, Опубл. 20.03.08, БИ №8).
Недостатком преобразователя частоты является низкая надежность работы на индукционный нагреватель, что обусловлено отсутствием защиты и эффективного токоограничения при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя, а также при срывах инвертирования и замыканиях выходных выводов на корпус устройства, большими уровнями токов через элементы и высоким напряжением на управляемом вентиле и встречно-параллельном диоде.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, содержащий трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и однофазный инвертор, подключенный к выходным выводам выпрямителя через первый и второй дроссели фильтра, включающий последовательную цепь, состоящую из дросселя насыщения, коммутирующего дросселя, управляемого вентиля, второго коммутирующего дросселя, выводов переменного тока инвертора, подключенных к выходным выводам преобразователя частоты, второго дросселя насыщения, второго управляемого вентиля, зашунтированного конденсатором фильтра, компенсирующий конденсатор, шунтирующий выходные выводы преобразователя частоты, и второй конденсатор фильтра, подключенный между общей точкой соединения первого и второго дросселей фильтра и точкой подключения конденсатора фильтра к выходному выводу выпрямителя (FCA4 Induction Heating. Use and Maintenance Manual / CEFI s.r.l., CUORGNE (Torino) - Italy, 2000).
Указанный преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока рассматривается в качестве прототипа изобретения.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы на индукционный нагреватель, что обусловлено недостаточно эффективной защитой преобразователя частоты при перегрузках и коротком замыкании индукционного нагревателя, отсутствием симметричного токоограничения при замыкании выходных выводов преобразователя частоты на корпус устройства, низкой надежностью пуска, высокими скоростями нарастания тока и уровнями коммутационных потерь при включении управляемых вентилей, высокими уровнями токов и напряжений на управляемых вентилях, явлением «раскачки» инвертора при изменении нагрузки, повышенной вероятностью сбоев в системе управления преобразователя частоты и срывов инвертирования.
Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, что является целью изобретения.
Указанная цель достигается тем, что преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока содержит трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и однофазный инвертор, подключенный к выходным выводам выпрямителя через первый и второй дроссели фильтра, включающий последовательную цепь, состоящую из управляемого вентиля, зашунтированного встречно-параллельным диодом, дросселя насыщения, коммутирующего дросселя, разделительного конденсатора, выводов переменного тока инвертора, подключенных к выходным выводам преобразователя частоты, второго разделительного конденсатора, второго коммутирующего дросселя, второго дросселя насыщения, второго управляемого вентиля, зашунтированного вторым встречно-параллельным диодом, зашунтированного конденсатором фильтра, компенсирующий конденсатор, подключенный между общими точками соединения коммутирующих дросселей и разделительных конденсаторов, и второй конденсатор фильтра, подключенный между общей точкой соединения первого дросселя с конденсатором фильтра и точкой подключения второго дросселя фильтра к выходному выводу выпрямителя.
Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, что достигается эффективной защитой его от перегрузок и коротких замыканий индукционного нагревателя за счет конденсаторной развязки входных и выходных выводов, возможностью осуществления эффективной сеточной защиты с переводом мостового полностью управляемого выпрямителя в режим инвертора, ведомого сетью, симметричным токоограничением при возможном закорачивании выводов индукционного нагревателя на корпус устройства, ограничением «раскачки», снижением скоростей нарастания токов управляемых вентилей и снижением уровней коммутационных потерь, токов и напряжений на управляемых вентилях, улучшением характеристик по электромагнитной совместимости, снижением вероятности сбоев в системе управления преобразователем частоты и срывов инвертирования.
Повышение надежности работы преобразователя частоты является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого преобразователя частоты являются существенными.
На чертеже приведена электрическая схема преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока.
Преобразователь частоты (трехфазное исполнение) содержит трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель на шести тиристорах 1-6, входные выводы которого подключены к входным выводам преобразователя частоты, и однофазный инвертор, подключенный к выходным выводам выпрямителя через первый 7 и второй 8 дроссели фильтра, включающий последовательную цепь, состоящую из управляемого вентиля 9, зашунтированного встречно-параллельным диодом 10, дросселя насыщения 11, коммутирующего дросселя 12, разделительного конденсатора 13, выводов переменного тока инвертора, подключенных к выходным выводам 14 преобразователя частоты, второго разделительного конденсатора 15, второго коммутирующего дросселя 16, второго дросселя насыщения 17, второго управляемого вентиля 18, зашунтированного вторым встречно-параллельным диодом 19, зашунтированного конденсатором фильтра 20, компенсирующий конденсатор 21, подключенный между общими точками соединения коммутирующих дросселей и разделительных конденсаторов, и второй конденсатор фильтра 22, подключенный между общей точкой соединения первого дросселя с конденсатором фильтра и точкой подключения второго дросселя фильтра к выходному выводу выпрямителя.
Преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока в установившемся режиме работает следующим образом. Входные выводы преобразователя частоты подключаются к трехфазному источнику переменного напряжения питания (сети). Трехфазный мост (выпрямитель) на управляемых вентилях 1-6 (в случае использования однофазного источника переменного напряжения сети применяется однофазный полностью управляемый выпрямитель) преобразует переменное напряжение сети в знакопостоянное напряжение, которое прикладывается к элементам индуктивно-емкостного фильтра на дросселях 7, 8 и конденсаторах 20, 22. Дроссели фильтра 7, 8 могут иметь магнитную связь. При этом их обмотки включаются согласно для увеличения суммарной индуктивности. Суммарная индуктивность дросселей фильтра 7, 8 выбирается из условия качественного сглаживания входного тока однофазного инвертора. Напряжение на конденсаторе фильтра 20 является практически постоянным (идеально сглаженным).
Знакопостоянное напряжение конденсатора фильтра 20 прикладывается к последовательной цепи собственно однофазного инвертора, состоящей из управляемого вентиля 9, зашунтированного встречно-параллельным диодом 10, дросселя насыщения 11, коммутирующего дросселя 12, разделительного конденсатора 13, выводов переменного тока инвертора, подключенных к выходным выводам 14 преобразователя частоты, второго разделительного конденсатора 15, второго коммутирующего дросселя 16, второго дросселя насыщения 17, второго управляемого вентиля 18, зашунтированного вторым встречно-параллельным диодом 19, зашунтированного конденсатором фильтра 20, компенсирующий конденсатор 21, подключенный между общими точками соединения коммутирующих дросселей и разделительных конденсаторов. Такое соединение элементов однофазного инвертора является оптимальным, так как обеспечивает симметрию и конденсаторную развязку выходных выводов 14 преобразователя частоты.
Устройство работает на частоте, близкой к собственной частоте параллельного резонанса нагрузочного контура, образованного элементами 13-15, 21.
Импульсы управления на управляемые вентили 9, 18 подаются с частотой, равной выходной частоте преобразователя и собственной частоте параллельного резонанса нагрузочного колебательного контура (парарезонансное управление), образованного индукционным нагревателем 14 с разделительными конденсаторами 13, 15 и компенсирующим конденсатором 21. Работа преобразователя на собственной частоте нагрузочного колебательного контура (элементы 13-15, 21) позволяет обеспечить близкие к оптимальным условия для коммутации управляемых вентилей 9, 18 и наилучшее его использование по мощности. Возможна также работа на второй или четвертой гармонике (собственная частота нагрузочного колебательного контура, образованного индукционным нагревателем 14, разделительными конденсаторами 13, 15 и компенсирующим конденсатором 21, в два или четыре раза больше частоты подачи импульсов управления на управляемые вентили 9, 18). Однако в этом случае использование управляемых вентилей 9, 18 по мощности ухудшается. Режим умножения частоты представляет собой фактически работу инвертирующей части преобразователя в режиме генератора ударного возбуждения и его применение является оправданным только при высокой добротности нагрузочного колебательного контура (13-15, 21). Изменением угла опережения (работа преобразователя на частоте, превышающей собственную частоту нагрузочного колебательного контура) возможно регулировать уровень выходного переменного напряжения. Однако при этом возрастает уровень выходного тока преобразователя частоты и загрузка элементов по току и напряжению. Возрастает и уровень энергии, накапливаемой реактивными элементами преобразователя частоты за период выходного напряжения, что приводит к снижению энергетических характеристик. Параметры элементов преобразователя частоты 11-17, 21 выбираются из условия обеспечения естественного колебательного спада тока управляемых вентилей 9, 18 за половину периода выходного напряжения. Каждое очередное включение управляемых вентилей 9, 18 осуществляется при переходе напряжения на компенсирующем конденсаторе 21 в отрицательную область значений (+ на нижней по схеме обкладке конденсатора 21) и формирует один период выходного переменного напряжения на нагрузочном колебательном контуре 13-15, 21. Собственная частота эквивалентного последовательного контура, образованного последовательными цепями из элементов 11-17, 21 выше собственной частоты параллельного резонанса нагрузочного колебательного контура 13-15, 21. Ток через управляемые вентили 9, 18 изменяется по колебательному закону и обеспечивается их естественное выключение. После выключения управляемых вентилей 9, 18 включаются встречные диоды 10, 19 и ток через нагрузочный колебательный контур 13-15, 21 протекает в обратном направлении за счет энергии разделительных конденсаторов 13, 15 и компенсирующего конденсатора 21. Дроссели фильтра 7, 8 предотвращают рост выходного тока мостового полностью управляемого выпрямителя в интервалах проводимости управляемых вентилей 9, 18. Далее в работе преобразователя частоты формируется интервал паузы (выключены управляемые вентили 9, 18 и встречно-параллельные диоды 10, 19). Электромагнитные процессы в интервале паузы протекают за счет электромагнитной энергии, накопленной реактивными элементами последовательной цепи 11-17, 21. Пауза в работе преобразователя частоты заканчивается в момент включения управляемых вентилей 9, 18 при переходе напряжения на компенсирующем конденсаторе 21 в отрицательную область значений (или ранее момента перехода при работе с углами опережения). Далее электромагнитные процессы в схеме преобразователя частоты повторяются.
Для ограничения начальных скоростей нарастания и спада токов управляемых вентилей 9, 18 и встречно-параллельных диодов 10, 19 используются дроссели насыщения 11, 17, что повышает надежность работы инверторной части.
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 (знакопостоянного) напряжения на входе инвертирующей части преобразователя частоты.
Скачкообразное увеличение угла управления выпрямителя до 120 эл.град. переводит полностью управляемый выпрямитель, работающий на 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 7, 8, 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 14. 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 9, 18 и обратных напряжений на встречно-параллельных диодах 10, 19.
Встречно-параллельные диоды 10, 19 обеспечивают стабилизацию режима работы инвертирующей части преобразователя частоты при изменениях нагрузки в широких пределах и предотвращают «раскачку» токов и напряжений в схеме.
Управляемыми вентилями 1-6 трехфазного моста выпрямителя также может осуществляться имитация работы «нулевого» вентиля при углах управления более 90 эл.град., что позволяет повысить коэффициент мощности при регулировании и снизить пульсацию выпрямленного (знакопостоянного) напряжения на входе инвертирующей части преобразователя и конденсаторах фильтра 20, 22. Для имитации работы «нулевого» вентиля при больших углах управления включаются соответствующие вентили, 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 однооперационные (SCR) тиристоры. В качестве управляемых вентилей 9, 18 инвертирующей части преобразователя 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. Встречные диоды 10, 19, в частности, могут быть выполнены на основе диодов Шоттки.
Дроссели насыщения 11, 17 реализуются, например, в виде охватывающих соединительные шины сплошных (замкнутых) ферромагнитных сердечников, не имеющих зазоров из неферромагнитного материала. Использование двух дросселей насыщения 11, 17 позволяет оптимизировать конструкцию преобразователя частоты и повысить надежность его работы.
Функцию коммутирующих дросселей 12, 16 полностью или частично может выполнять индуктивность соединительных шин преобразователя частоты с нагрузкой 13-15, 21.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы преобразователя частоты. Это достигается снижением уровней напряжений на управляемых вентилях за счет стабилизации при работе встречно-параллельных диодов, ограничением «раскачки» токов и напряжений в схеме, снижением скорости нарастания прямого тока управляемых вентилей за счет уменьшения амплитуд и колебательного характера его изменения в нагрузочной цепи и действия дросселей насыщения, эффективной симметричной защитой от короткого замыкания индукционного нагревателя и закорачиванием его выводов на корпус устройства за счет действия симметричной емкостной развязки разделительными конденсаторами, индуктивной развязки за счет дросселей фильтра и коммутирующих дросселей, ограничивающих ток через элементы преобразователя частоты, а также возможностью надежного перевода полностью управляемого выпрямителя в режим инвертора, ведомого сетью при его выключении. Улучшается электромагнитная совместимость преобразователя частоты с питающей сетью и снижается уровень электромагнитных помех за счет ограничения «раскачки», обеспечивается надежный пуск без применения дополнительного пускового устройства, снижающего надежность работы, за счет работы разделительных конденсаторов. 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. Исключаются сбои в системе управления преобразователя частоты и срывы инвертирования.
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 и встречных диодов, рекуперация части энергии перенапряжений в конденсаторы 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 преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока за счет обеспечения регулирования электрического режима работы и (или) стабилизации выходных электрических параметров преобразователя частоты и индукционного нагревателя с требуемым быстродействием.