статический преобразователь частоты, напряжения и фазы

Формула изобретения

Статический преобразователь частоты, напряжения и фазы, содержащий выпрямитель с дроссельным фильтром, управляемый импульсный мостовой инвертор, однофазный фильтр повышенной частоты, датчики напряжения и тока, блок управления с процессором, при этом вход трехфазного напряжения последовательно через выпрямитель с дроссельным фильтром, управляемый импульсный мостовой инвертор, однофазный фильтр повышенной частоты соединен с его однофазным выходом, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен входным трехфазным силовым разделительным трансформатором и выходным однофазным трансформатором гальванической развязки, трехканальным сигнализатором контроля фазного напряжения по каждой из трех фаз, тремя датчиками напряжения на выходах выпрямителя с дроссельным фильтром, управляемого импульсного мостового инвертора и выходного однофазного трансформатора гальванической развязки, датчиком тока на выходе выходного однофазного трансформатора гальванической развязки, и четырьмя датчиками температуры, первый из которых установлен в выпрямителе с дроссельным фильтром, второй и третий расположены в управляемом импульсном мостовом инверторе на смежных плечах, а четвертый размещен в блоке управления, состоящем из коммутатора каналов, аналого-цифрового преобразователя, кварцевого генератора, логического модуля, семи импульсных и двух буферных усилителей, при этом выпрямитель с дроссельным фильтром снабжен модулем «мягкого старта», состоящим из параллельно соединенных оптрона со светодиодом и резистора, а управляемый импульсный мостовой инвертор выполнен на биполярных транзисторах с изолированным затвором, пятью индикаторами свечения оценки состояния работы статического преобразователя, частоты, напряжения и фазы, причем выходы с датчиков напряжения, тока и температуры соединены соответственно с первого до восьмого входа коммутатора каналов, выход с которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом логического модуля, выход кварцевого генератора направлен ко второму входу логического модуля, первый выход с которого соединен с первым входом процессора, а второй выход связан со вторым входом процессора, первые два выхода с процессора через свои буферные усилители соединены соответственно с первым и вторым индикаторами свечения с разными режимами свечения в зависимости от состояния работы статического преобразователя частоты, напряжения и фазы, а с третьего по шестой выходы через свои импульсные усилители связаны соответственно с каналами управляющих воздействий на выпрямитель с дроссельным фильтром и с модулем «мягкого старта», на управляемый импульсный мостовой инвертор и на пусковой автомат питания, причем параллельно входному трехфазному силовому разделительному трансформатору установлен трехканальный сигнализатор контроля фазного напряжения по каждой из трех фаз, три параллельных выхода с которого связаны соответственно с третьего по пятый индикаторами свечения, свидетельствующего о наличии напряжения по каждой из трех фаз.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к энергетической электронике, занимающейся решением проблем, связанных с преобразованием электрической энергии из одного ее вида в другой, и касается, в частности, разработки источников вторичного электропитания (ИВЭП) радиоэлектронной электроприводной аппаратуры большой мощности (>1,0 кВт) - статических преобразователей частоты, напряжения и фазы (преобразователь) с постоянным значением каждого параметра, которые найдут широкое применение в радиосистемах подвижных объектов и в связных радиопередатчиках, работающих в диапазоне длинных и сверхдлинных волн, а также для питания высокоскоростных электродвигателей.

Уже известно очень большое количество преобразователей, разработанных применительно к специфике функционирования обслуживаемых радиообъектов, поставленных задач по особенностям условий их эксплуатации и исходя из достигнутого уровня научно-технического прогресса к настоящему моменту времени в области транзисторной техники и микроэлектроники.

1. Патентные источники информации:

SU 1192186A, 15.11.1985;

SU 1396921 А1, 11.07.1986;

SU 1568173 А1, 03.01.1987;

SU 1677747 А1, 15.09.1991;

SU 1737774 А1, 30.05.1992;

RU 2017270 C1, 30.07.1994;

RU 2085013 C1, 06.10.1997;

RU 2166831 С2 07.09/1999;

RU 2195791 С2, 05.07.2000;

RU 2227958 С2, 02.08.2002;

RU 2256284 C1, 20.10.2003;

DE 2444864 В1, 12.02.1976;

DE 3305126 А1, 16.08.1984;

US 3986550 A, 19.10.1976;

US 4720667 A, 22.03.1988;

US 5243493 A, 07.09.1993.

2. Научно-техническая литература:

- Джюджи Л., Плиле Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: пер.с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983, 400 с.;

- Богданов Н.Н. Сетевые преобразователи. М.: Изд-во МЭИ, 1990, 316 с.;

- Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник / В.В.Бачурин др. М.: Радио и связь, 1994, 560 с.;.

- Электротехнический справочник в 4 т.Т.2. Электротехнические изделия и устройства / под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. М.: изд-во МЭИ, 2003, 518 с. || разд. 37, Вентильные преобразователи электрической энергии и источники вторичного электропитания; с.417;

- Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебное пособие. Изд.2-ое испр. и доп. Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2004 г. - 664 с. Глава 13, с.558-628: Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока (напряжения).

Известен также преобразователь с квазирезонансной коммуникацией тока, содержащей два встречно-параллельно включенных управляемых вентиля, резонансный контур, высокочастотный трансформатор, управляемый коммуникатор и выпрямительный мост (Патент RU №2085013 С1, Н02М 7/519, 1997.07.20).

К его недостаткам относятся сложность схемного решения и невысокая надежность.

Известен преобразователь, содержащий шкаф с подвижными внутренними рамами и дверью, на которых размещены: блок выпрямителя, блок инвертора, выполненный на быстродействующих ключах, блок управления, охладители, батареи конденсаторов, общие шины, выполненные в виде металлических пластин и разделенных пластиной (Патент №2195791 С2; Н05К 7/20, 12.27.2002).

Недостатками его является высокие массогабаритные показатели и сложность в эксплуатации.

Известен также преобразователь амплитуды, фазы и частоты со звеном постоянного напряжения (Патент №2166831 С2; Н02М 5/44, Н02J 3/12; 07.09.1999). Недостатком приведенного преобразователя является усложненная его структура, связанная с необходимостью автономного регулирования трех его параметров, что усложняет эксплуатацию и снижает надежность преобразователя.

В качестве ближайшего аналога данного изобретения принят преобразователь, описанный в статье «Транзисторные преобразователи частоты для индукционного нагрева», опубликованной в журнале «Электротехника», №10, 2004 г., с.24-31, рис.1. Автор: Силкин Е.М.

Он содержит выпрямитель трехфазного напряжения с дроссельным фильтром, звено постоянного тока, управляемый импульсный мостовой инвертор, блок защиты и оснащен принудительным воздушным охлаждением. Измерение входного тока инвертора осуществляется датчиком Холла. Блок управления выполнен на трех микроконтроллерах. Управляемый импульсный мостовой инвертор реализован по способу самовозбуждения со стабилизацией угла опережения, а регулирование выходного напряжения осуществлено в звене постоянного тока.

Недостатками приведенного преобразователя являются:

1. Усложненная схема преобразователя.

2. Наличие принудительного воздушного охлаждения.

3. Высокие массогабаритные показатели.

4. Необходимость регулировки нескольких выходных параметров.

Задачей изобретения является повышение надежности, уменьшение массогабаритных показателей, улучшение метрологических характеристик, обеспечение 50% кратковременной перегрузочной способности и упрощение эксплуатации.

Поставленная задача решается применением новых транзисторных элементов, микросхем, датчиков контроля параметров, коммутатора информационных каналов, аналогово-цифрового преобразователя, кварцевого генератора, логического блока, процессора, импульсных и буферных усилителей, модуля мягкого старта, пяти световых индикаторов и изменением характера взаимосвязи между ними.

Сущность изобретения состоит в том, что статистический преобразователь частоты, напряжения и фазы, содержащий выпрямитель с дроссельным фильтром, управляемый импульсный мостовой инвертор, однофазный фильтр повышенной частоты, датчики напряжения и тока, блок управления, при этом вход трехфазного напряжения последовательно через выпрямитель с дроссельным фильтром, управляемый импульсный мостовой инвертор, однофазный фильтр повышенной частоты, соединен с его однофазным выходом, дополнительно снабжен входным трехфазным силовым разделительным трансформатором и выходным однофазным трансформатором гальванической развязки, трехканальным сигнализатором контроля фазного напряжения по каждой из трех фаз, тремя датчиками напряжения на выходах выпрямителя с дроссельным фильтром, управляемого импульсного мостового инвертора и выходного однофазного трансформатора гальванической развязки, датчиком тока и четырьмя датчиками температуры, первый из которых установлен в выпрямителе с дроссельным фильтром, второй и третий расположены в управляемом импульсном мостовом инверторе на смежных плечах, а четвертый размещен в блоке управления, состоящем из коммутатора каналов, аналого-цифрового преобразователя, кварцевого генератора, логического модуля, семи импульсных и двух буферных усилителей, при этом выпрямитель с дроссельным фильтром снабжен модулем «мягкого старта», состоящим из параллельно соединенных оптрона со светодиодом и резистора, а управляемый импульсный мостовой инвертор выполнен на биполярных транзисторах с изолированным затвором, пятью индикаторами свечения оценки состояния работы статического преобразователя, частоты, напряжения и фазы, причем выходы с датчиков напряжения, тока и температуры соединены соответственно с первого до восьмого входа коммутатора каналов, выход с которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом логического модуля, выход кварцевого генератора направлен ко второму входу логического модуля, первый выход с которого соединен с первым входом процессора, а второй выход - со вторым входом процессора, первые два выхода с процессора через свои буферные усилители соединены соответственно с первым и вторым индикаторами свечения с разными режимами свечения в зависимости от состояния работы статического преобразователя частоты, напряжения и фазы, а с третьего по шестой выходы через свои импульсные усилители связаны соответственно с каналами управляющих воздействий на выпрямитель с дроссельным фильтром и с модулем «мягкого старта», на управляемый импульсный мостовой инвертор и на пусковой автомат питания, причем параллельно входному трехфазному силовому разделительному трансформатору установлен трехканальный сигнализатор контроля фазного напряжения по каждой из трех фаз, три параллельных выхода с которого связаны соответственно с третьего по пятый индикаторами свечения, свидетельствующими о наличии напряжения по каждой из трех фаз.

Особенности изобретения поясняются следующими графическими материалами:

- структурной схемой статического преобразователя частоты, напряжения и фазы (фиг.1);

- схемой трехфазного сигнализатора контроля фазного напряжения по каждой из трех фаз (фиг.2);

- модулем «мягкого старта» и динамикой изменения выходного напряжения (фиг.3);

- схемой управляемого импульсного мостового инвертора (фиг.4);

- графиками формирования синусоиды управляемого импульсного мостового инвертора (фиг.5);

- графиками формирования управляющих сигналов управляемому импульсному мостовому инвертору (фиг.6);

- структурной схемой блока управления (фиг.7).

В порядке обоснования соответствия изобретения критериями «существенная новизна» и «промышленная применимость» приводим следующие доказательства:

1. Выпрямление и инвертирование продолжают оставаться основным способом преобразования электрической энергии, однако сами способы и устройства по их реализации за последнее время претерпели существенные изменения, а их разновидности стали гораздо многочисленнее.

2. Электрическая энергия, вырабатываемая на электрических станциях с различными энергетическими источниками механического воздействия на привод генераторов и передаваемая потребителям в виде переменного трехфазного тока с промышленной частотой в 50 Гц и напряжением 380 В, не всегда пригодна для использования на других объектах потребления электроэнергии, так как в промышленности и на транспорте существует целый ряд устройств, для питания которых требуется ток других номиналов.

3. Преобразовательная техника, занимающаяся вопросами вторичного преобразования электрической энергии промышленных параметров в другой ее вид, отличающийся по частоте, напряжению и фазе, за последнее время достигла существенного прогресса.

Благодаря применению нового типа силовых полупроводниковых вентилей, близких по своим свойствам к идеальному быстродействующему управляемому ключевому элементу, к которым относятся и биполярные транзисторы с изолированным затвором, представляющие собой сочетание преимуществ полевого и биполярного транзисторов, существенно упростилась структура построения преобразователя, что позволило намного улучшить их технические характеристики, в особенности надежностно-метрологические и массогабаритные.

4. Поскольку в диодах (вентилях) и в транзисторах имеют место потери мощности, что может привести к их перегреву и выходу из строя, то для повышения эффективности теплоотвода предусмотрено расположение указанных элементов на специальных теплоотводящих охладителях (радиаторах) с развитой и зачерненной поверхностью охлаждения и плотным креплением к ним, улучшающих условия излучения и теплопроводности. Так как отвод тепла конвекцией происходит также еще за счет движения охлаждающего воздуха относительно поверхности радиатора при наличии разности температур между охлаждаемой поверхностью радиатора и окружающей воздушной средой, то, хотя усиленный поток воздуха за счет принудительной его подачи вентилятором и увеличивает в 8-10 раз коэффициент теплоотдачи, устройство с естественным режимом охлаждения существенно проще, надежнее и бесшумнее. А это очень важно при специфических условиях его эксплуатации, где требуется абсолютная тишина. Чтобы исключить перегрев преобразователя, на наиболее важных участках устройства предложено использовать датчики температуры, расположенные в выпрямительном блоке (один), в инверторе (два в смежных плечах транзисторов) и в блоке управления (один), и при недопустимом повышении температуры, зафиксированном хотя бы одним из четырех датчиков, поступает команда на обесточивание устройства.

5. Наиболее тяжелым режимом работы преобразователя является пусковой период, поскольку в первый момент его запуска при обычном схемном решении возникают большие броски тока в цепи, которые могут вызвать выход из строя вентильных элементов и транзисторов. Поэтому пуск преобразователя для обеспечения режима «мягкого старта» должен осуществляться только в условиях плавного увеличения выходного напряжения от нуля до заданного значения со скоростью, гарантирующей постепенный выход преобразователя на заданный режим его работы.

6. Наличие звена постоянного тока в преобразователе препятствует влиянию возникающих аномальных режимов на входной стороне преобразователя на выходные его характеристики: исключается появление гармоник низшего порядка и не происходит искажения синусоиды выходного тока.

Преобразователь, структурная схема которого представлена на фиг.1, состоит из следующих основных блоков: входного трехфазного силового разделительного трансформатора 1, выпрямителя 2 с дроссельным фильтром и модулем «мягкого старта», управляемого импульсного мостового инвертора 3, однофазного фильтра повышенной частоты 4, выходного однофазного трансформатора гальванической развязки 5, трехканального сигнализатора контроля фазного напряжения по каждой из трех фаз 6 и блока управления 7.

Пусковой автомат питания, предназначенный для подачи трехфазного напряжения промышленной частоты на преобразователь, расположен вне его корпуса и на фигурах не обозначен.

В преобразователе контролируют напряжения: на выходе выпрямителя с дроссельным фильтром и модулем «мягкого старта» 2 при помощи датчика напряжения 8, на выходе управляемого импульсного мостового инвертора 3 датчиком напряжения 9, на выходе трансформатора гальванической развязки 5 посредством датчика напряжения 10, а также и ток при помощи датчика тока 11. В преобразователе контролируют и температуру: в выпрямителе с дроссельным фильтром и модулем «мягкого старта» 2 посредством датчика температуры 12, в управляемом импульсном мостовом инверторе 3 двумя датчиками температуры 13 и 14, платы блока управления 7 датчиком температуры 15.

В преобразователе сигнализируют: наличие напряжения на входе по каждой из трех фаз посредством индикаторов свечения (светодиоды желтого света) 16, 17, и 18; а также наличие выходного напряжения при помощи индикатора свечения (светодиода зеленого цвета) 19. Мигающий режим работы данного индикатора в течение двух минут после запуска преобразователя информирует о произошедшем его предыдущем аварийном отключении, но при повторном автоматическом запуске, когда питание преобразователя еще окончательно не отключалось. Несанкционированное изменение режима работы преобразователя сигнализируется индикатором свечения (светодиодом красного цвета) 20 с пакетом различного количества мигающих импульсов в зависимости от вида и характера возникшей неисправности, но с одинаковой скважностью между пакетами. Так, при одном импульсе в пакете - напряжение питания меньше минимально допустимого или больше максимально допустимого. При двух импульсах в пакете - выходное напряжение не равно номинальному с возможным искажением формы выходного напряжения. При трех импульсах в пакете - температура близка к максимально допустимой или выше ее. При четырех импульсах в пакете - ситуация обусловлена режимом ограничения тока и выходного напряжения с возможным искажением формы выходного напряжения, а также перегрузкой или коротким замыканием на выходе. Непрерывный режим свечения данного индикатора указывает на выход преобразователя из строя. Трехканальный сигнализатор контроля фазного напряжения по каждой из трех фаз 6 изображен на фиг.2 и представляет собой три автономных резисторно-емкостных диодных ячейки, состоящих из последовательно соединенных резистора 21, конденсатора 22 и диода 23. Параллельно каждому диоду включены индикаторы свечения (светодиоды) 16, 17, 18 с противоположной проводимостью. Модуль «мягкого старта» изображен на фиг.3. Он состоит (фиг.3.2) из параллельно соединенных последовательно связанных резисторов 24 и оптрона 25. В качестве управляющего элемента оптрона служит светодиод 26.

На фиг.3.1 показан график изменения напряжения Ит(1) на выходе выпрямителя с дроссельным фильтром и модулем «мягкого» старта 2 во времени в пусковой период длительностью вр=7c. В этот период оптрон заперт, и ток протекает через резисторы 24. По истечении данного периода, когда Ит=Из(х1)=const, поступает команда У1 на включение светодиода: оптрон открывается, и ток уже проходит только через него, где Из(Х1) - заданное значение напряжения.

Схема управляемого импульсного мостового инвертора 3, представленная на фиг.4, состоит из 4-х биполярных транзисторов с изолированным затвором 27, 28, 29 и 30. На корпусах двух транзисторов, включенных в смежные плечи моста, расположены два датчика температуры 13 и 14, а на выходе управляемого импульсного мостового инвертора установлен делитель напряжения 31, выполняющий функцию датчика напряжения 9 (фиг.1), с информационным каналом Х2. На вход управляемого импульсного мостового инвертора 3 поступает постоянное напряжение (Ивх=const), а с выхода снимается переменное (Ивых=war), но уже повышенной частоты (f=400 Гц), что определяется последовательностью и длительностью воздействия командных сигналов У1-У4 на затворы биполярных транзисторов с изолированным затвором (фиг.5 и 6).

На фиг.5 представлены графики изменения длительности импульсов при постоянных значениях амплитуды (А) и скважности между импульсами (Тс) для положительной (фиг.5.1) и отрицательной (фиг.5.2) частей синусоиды. Соотношение между максимальной длительностью импульса (Т ид) в середине синусоиды и минимальной длительностью импульса (Тик) в начале и в конце синусоиды составляет:

Тид/Тик=100,

что позволяет реализовать синусоиду с большей степенью адекватности.

На фиг.6 представлен алгоритм выработки управляющих воздействий (У1-У4), где на фиг.6.1 изложена логика получения положительных, отрицательных импульсов и нулевого значения сигнала за счет сочетания логических законов умножения И и сложения ИЛИ в определенной последовательности, а на фиг.6.2 дано значение частоты кварцевого генератора (f=16 МГц) для выработки импульсов соответствующей полярности и получения нулевого значения сигнала. Блок управления, представленный на фиг.7, структурно состоит из следующих модулей: коммутатора информационных каналов (Х1-Х8) 32, аналогово-цифрового преобразователя 33, кварцевого генератора 34, логического модуля 35, процессора 36, шести импульсных усилителей 37 и двух буферных усилителей 38. Через Х1÷Х8 обозначены информационные каналы, через У1÷У6 - каналы управляющих воздействий, а через Z1÷Z13 - промежуточные информационные потоки сигналов.

Работа преобразователя в пусковом периоде характеризируется режимом «мягкого старта», исключающим большие броски тока в цепи преобразователя в момент включения его в сеть, и реализуется посредством модуля, представленного на фиг.3, по сигналу с датчика напряжения 8 по информационному каналу Х1 с выработкой управляющего сигнала в блоке управления 7 с последующим воздействием по управляющему каналу У1 на светодиод 26 для открывания оптрона 25.

Регламентный режим работы преобразователя происходит следующим образом (фиг.1). Трехфазное напряжение величиной 380 В и частотой 50 Гц через входной трехфазный силовой разделительный трансформатор 1 поступает на выпрямитель 2 с дроссельным фильтром и модулем «мягкого старта». Выпрямленное напряжение питает управляемый импульсный мостовой инвертор 3, выходное переменное напряжение с которого последовательно через однофазный фильтр повышенной частоты 4 и выходной однофазный трансформатор гальванической развязки 5 подается потребителю (в нагрузку). Работой преобразователя управляет блок управления 7.

Режим охлаждения преобразователя: воздушно - конвективный, без вентилятора. Это делает его работу бесшумной и упрощает эксплуатацию.

В преобразователе сигнализируют:

- наличие входного питающего напряжения по каждой из 3-х фаз посредством трех индикаторов свечения - светодиодов 16, 17, 18 с постоянным свечением желтого цвета;

- наличие выходного однофазного напряжения индикатором свечения - светодиодом 19 с постоянным свечением зеленого цвета или его миганием в течение двух минут в случае его аварийного отключения и повторного автоматического запуска;

- возникновение аварийных режимов, вызванных различными причинами (перегрев, перегрузка и т.д.) миганием индикатора свечения - светодиодом красного цвета 20 с разным количеством импульсов в пакете в зависимости от причины неисправности. Непрерывный режим свечения данного индикатора свидетельствует о возникшей неисправности в работе преобразователя,

В преобразователе регулируют:

- величину и частоту переменного напряжения Ивых на выходе управляемого импульсного мостового инвертора (фиг.4) по сигналу с датчика напряжения 9 по информационному каналу Х2 с выработкой управляемого сигнала в блоке управления 7 с последующим воздействием по командным каналам У2-У5 в определенной последовательности на затворы биполярных транзисторов с изолированным затвором 27-30 Гц (фиг.4).

Частота напряжения в 400 Гц задается частотой импульсов в 16 МГц кварцевого генератора 34 (фиг.7), функционирующего с высокой точностью стабилизации частоты (до 10^-5 Гц) в температурном диапазоне - 40-50°С.

Алгоритм выработки управляющих воздействий представлен на фиг.6, где на фиг.6.1 изображены логические функции умножения И и сложения ИЛИ выработки управляющих воздействий для получения положительных и отрицательных импульсов, а также нулевого значения сигнала, а на фиг.6.2 дан график работы кварцевого генератора на частоте 16 МГц для выработки импульса соответствующей полярности и нулевого значения сигнала между ними.

В преобразователе управляют:

- режимом «мягкого старта» в пусковой период по команде с блока управления 7 (фиг.1) воздействием по каналу У1 на оптрон 26 выпрямителя 2 с дроссельным фильтром и с модулем «мягкого старта» с учетом достижения значения выходного напряжения Ит=Из (при временном интервале вр=7 с) (фиг.3);

- отключением от сети питания по команде с блока управления 7 воздействием по каналу У6 на пусковой аппарат питания, установленного вне преобразователя, при выходе параметров контроля за допустимые значения.

Таким образом, данное изобретение позволяет создать портативный и практически бесшумный преобразователь с низкими удельными показателями по весу, объему и нагрузке: (удельный вес 1000 кг·м ^-3; удельные нагрузки 375·10^-4 КВт·кг^-1; 37,5 Квт·м ^-3) и с высокими эксплуатационными параметрами: КПД 90%, перегрузочная способность 1,5 в течение 120 с, вероятность безотказной работы 0,9.

Большим преимуществом преобразователя является также отсутствие приборов визуального контроля и органов управления, что обеспечивает полную автономность его работы в течение длительного промежутка времени.