Низкочастотный преобразователь

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники. Технический результат низкочастотного преобразователя - повышение надежности. Низкочастотный преобразователь содержит однофазный мостовой инвертор напряжения, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из источника противофазных тактовых импульсов с частотой f, управляющего органа, каналов управления силовыми ключами с формирователями импульсов управления, соединенными с управляющими цепями соответствующих силовых ключей однофазного мостового инвертора напряжения и управляющего органа. Благодаря введению в систему управления генератора пилообразных напряжений с частотой 2f, двухвходового компаратора, распределителя импульсов, ограничителя максимального выходного напряжения управляющего органа, а в мостовом инверторе содержится только два обратных диода, и оригинальной схеме их соединения обеспечивается технический результат. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники, и предназначено для использования в установках электронагрева нефтескважин.

Известен однофазный мостовой автономный инвертор напряжения (далее АИН), выполненный на базе двухоперационных запираемых тиристоров с широтно-импульсным регулированием и звеном постоянного тока, выполненным на выпрямителе с конденсаторным фильтром (Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. «Основы преобразовательной техники». / М.: Высшая школа, 1980, с.237-240). Преобразование постоянного напряжения в переменное для питания активно-индуктивной нагрузки заданной частоты происходит за счет переключения диагонально расположенных пар тиристоров импульсами, смещенными на 180° эл. При переключении ключей электромагнитная энергия нагрузки сбрасывается в батарею конденсаторов источника постоянного напряжения. Емкость батареи конденсаторов С достигает большой величины, особенно при низких частотах f и больших токах АИН:

,

где: I - ток нагрузки;

t=1/f - время протекания тока через батарею конденсаторов;

ΔU - допустимая величина перенапряжения на конденсаторах.

При токе в несколько сотен ампер и малых частотах f (менее 5 Гц) емкость батареи конденсаторов может достигать величин фарад, что является основным недостатком данного устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является низкочастотный преобразователь на базе автономного инвертора напряжения (АИН) (RU 98650 U1 опубликовано 20.10.2010, Бюл. №29), выполненный на транзисторных ключах, с активно-индуктивной нагрузкой и двухканальной системой управления (см. фиг.1).

Силовая часть представлена однофазным мостовым инвертором 1 с выпрямителем 2, транзисторными ключами 3…6, четырьмя обратными диодами 7, 8 и активно-индуктивной нагрузкой 9. Управление ключами инвертора осуществляется от двухканальной системы управления 10 с идентичными каналами управления 12, 13. В каждом канале управления содержатся формирователи импульсов 14, 15.

Регулирование выходного напряжения инвертора происходит за счет изменения длительности τ₂ включенного состояния ключей 4 и 6, которая определяется элементами 15 в каналах управления 12 и 13 в функции управляющего сигнала U_p управляющего органа 16. При этом элементы 14 представляют собой драйверы, а элементы 15, кроме драйверов, содержат фазосмещающие устройства, формирователи длительности и компараторы. Наличие двух фазосмещающих устройств в системе 10 приводит к возникновению асимметрии управляющих импульсов, поступающих на ключи 4 и 6, что негативно сказывается на качестве выходного напряжения инвертора 1, увеличивает потери мощности в нагрузке 9, усложняет систему регулирования, понижает надежность и кпд в целом. Перечисленные обстоятельства подтверждают сложность устройства-прототипа и его низкую надежность.

Технический результат заявляемого устройства - упрощение и повышение надежности устройства.

Технический результат достигается тем, что в низкочастотном преобразователе, содержащим однофазный мостовой инвертор напряжения, выполненный на выпрямителе, силовых ключах, например транзисторных и обратных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из источника противофазных тактовых импульсов с частотой f, управляющего органа, каналов управления силовыми ключами с формирователями импульсов управления, соединенными с управляющими цепями соответствующих силовых ключей однофазного мостового инвертора напряжения и управляющего органа, причем источник противофазных тактовых импульсов с частотой f выходами соединен с первыми формирователями импульсов в каждом канале управления, в систему управления введены генератор пилообразных напряжений с частотой 2f, двухвходовой компаратор, распределитель импульсов, ограничитель максимального выходного напряжения управляющего органа, при этом источник противофазных тактовых импульсов выходами подсоединен к входам генератора пилообразных напряжений, распределителя импульсов, выход генератора пилообразных напряжений соединен с первым входом двухвходового компаратора, второй вход которого подсоединен к выходу управляющего органа, при этом распределитель импульсов содержит, например, два ключа, выходы которых соединены с входами вторых формирователей импульсов в каждом канале управления, а к управляющему органу подсоединен ограничитель максимального выходного напряжения. Однофазный мостовой инвертор напряжения содержит два обратных диода.

Сущностью заявляемого изобретения является то, что между источником противофазных тактовых импульсов частотой f и двумя идентичными каналами управления силовыми ключами включены общие генератор пилообразных напряжений с частотой 2f, компаратор и распределитель импульсов, при этом выходы распределителя импульсов подключены к входам вторых формирователей импульсов обоих каналов управления силовыми ключами, а к управляющему органу подсоединен ограничитель максимального выходного напряжения. Силовая часть же инвертора содержит только два обратных диода.

На фиг.1 приведена схема прототипа, на фиг.2 - схема заявляемого устройства, на фиг.3 - показан источник противофазных тактовых импульсов с частотой f диаграммы работы заявляемого устройства; на фиг.4 - диаграммы работы заявляемого устройства.

На схемах по фиг.1, фиг.2, фиг.3 приняты следующие обозначения:

1 - однофазный мостовой инвертор;

2 - выпрямитель;

3…6 - силовые ключи, например транзисторы;

7, 8 - силовые обратные диоды (на фиг.1 диодов четыре, на фиг.2 - два);

9 - активно-индуктивная нагрузка (u, i - напряжение и ток в нагрузке);

10 - система управления;

11 - источник противофазных тактовых импульсов с частотой f и двумя выходами «a» и «x» (источник 11 может быть выполнен, например, на основе генератора 26 и двух компараторов 27 и 28);

12, 13 - каналы управления силовыми ключами;

14 - первые формирователи импульсов в блоках 12, 13 и обозначаемые по тексту ФИ1;

15 - вторые формирователи импульсов в блоках 12, 13 и обозначаемые по тексту ФИ2;

16 - управляющий орган;

17 - генератор пилообразных напряжений с частотой выходного сигнала 2f, выполненный, например, на элементах 21…23;

18 - двухвходовой компаратор;

19 - распределитель импульсов, состоящий, например, из двух ключей 24 и 25;

20 - ограничитель максимального выходного напряжения U_ym управляющего органа 16;

21 - усилитель;

22 - ключ «сброса» (для обнуления конденсатора в интеграторе 23);

23 - интегратор.

Сигналы на фиг.1-фиг.3:

U_и - напряжение импульсов «сброса» на выходе 21;

U_п - пилообразное напряжение на выходе 23;

U_у - напряжение управления на выходе 16;

U_p - напряжение на входе 16.

Примечания:

1. В заявляемом устройстве формирователи импульсов 14 и 15 состоят из драйверов и не содержат в своем составе других устройств. По сравнению с прототипом, в котором формирователи импульсов 15 являются более сложными узлами и содержат, кроме драйверов, фазосмещающие устройства, компараторы и формирователи длительности импульсов.

Обозначения по фиг.4:

Сигналы U₁, U₂, a, x, U_и, U_п, U_y приведены в обозначениях по фиг.2;

ФИ1 - 12(14), ФИ2 - 12(15) - соответствующие формирователи импульсов 1 и 2 в канале управления 12, их цифровые обозначения 14 и 15;

ФИ1 - 13(14), ФИ2 - 13(15) - то же, но в канале управления 13;

τ₁, τ₂ - длительности импульсов соответственно на выходах блоков 14, 15 в каналах управления 12 и 13;

τ₁(3), τ₁(5) - длительности импульсов управления на силовых ключах 3 и 5;

τ₂(4), τ₂(6) - то же на силовых ключах 4 и 6;

t₁ - время нарастания и спада до нуля тока нагрузки i;

Δt - время импульса «сброса» U_и;

U_d - напряжение на выходе выпрямителя 2;

u, i - соответственно напряжение и ток в нагрузке 9.

Устройство содержит однофазный мостовой инвертор 1, состоящий из выпрямителя 2, силовых ключей 3…6, например, транзисторных и двух обратных диодов 7, 8, активно-индуктивную нагрузку 9 и систему управления 10, состоящую из источника противофазных тактовых импульсов 11 с частотой f двух идентичных каналов управления 12, 13 силовыми ключами с двумя формирователями импульсов 14, 15 в каждом, соответственно соединенные с управляющими цепями силовых ключей 3…6, управляющего органа 16. Кроме того, имеются двухвходовые генератор пилообразных напряжений 17 с частотой 2f и компаратор 18, первый вход которого подключен к генератору пилообразных напряжений 17, а второй вход - к управляющему органу 16. Вход распределителя импульсов 19 соединен с выходом компаратора 18, а его оба выхода - с вторыми формирователями импульсов 15 каналов управления силовыми ключами 12 и 13. К управляющему органу 16 подключен ограничитель выходного напряжения 20. К выходам источника противофазных тактовых импульсов 11 подключены входы первых формирователей импульсов 14 каналов управления 12, 13 силовыми ключами; входы генератора пилообразных напряжений 17, содержащего усилитель 21, ключ «сброса» 22 и интегратор 23, а также входы ключей 24, 25 распределителя импульсов 19.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.

На выходах «a» и «x» источника тактовых импульсов 11 образуются две противофазных последовательности импульсов с заданной частотой f, которая при помощи генератора пилообразных напряжений 17 преобразуется в пилообразное напряжение U_п с частотой 2f. Это осуществляется, например, с помощью усилителя 21, ключа «сброса» 22 и интегратора 23. Данный процесс отражен четырьмя верхними диаграммами на фиг.4, где U₁ и U₂ - напряжения на выходах «a» и «x» блока 11. Импульс напряжения U_и образуется на выходе 21 и поступает на ключ 22, кратковременно (в течение Δt) шунтирующий конденсатор интегратора 23, осуществляя «сброс» «пилы» от максимума до нуля два раза за период Т=1/f. Сигнал U_п подается на первый вход компаратора 18, а на его второй вход поступает сигнал U_y с выхода 16. В результате сравнения указанных сигналов на выходе 18 возникает сигнал U₃ (фиг.4, д) с частотой 2f, который, проходя через ключи 24, 25 на входах формирователей импульсов ФИ2 (15) в блоках 12, 13, превращается в два противофазных сигнала U₄ и U₅ с длительностью τ₂ и частотой f (фиг.4, е и фиг.4, ж). При этом на ФИ1 (14) в блоках 12, 13 поступают сигналы U₁ и U₂ с частотой f (фиг.4, а и фиг., 4б). В результате на выходах каждого из каналов управления 12 и 13 возникают по две последовательности импульсов разной длительности τ₁ и τ₂ (фиг.4, з - 4, л). В этом случае

τ₁=T/2-Δt≈1/2f>τ₂,

где Т=1/f - период частоты f, Δt<<τ₁ - длительность импульса U_и, необходимая для исключения аварийного режима одновременной работы последовательно включенных силовых ключей (3, 4 и 5, 6), а также для разряда конденсатора в блоке 23 через ключ 22 и составляющая микросекунды. Длительность τ₂ определяется сигналом U_y (точки N₁ и N₂ на фиг.4, г) и определяет выходное напряжение на нагрузке 9 (фиг.4, м).

В каждом канале передние фронты импульсов управления с выходов 14 и 15 совпадают, а задние - отличаются на величину τ₀-Δt≈τ₀, которая должна быть больше времени t₁ спадания тока i в нагрузке до нуля. Ток i спадает через включенный силовой ключ, например 3, и диод 8 (или ключ 5 и диод 7) на фиг.4, м. Величина t₁ определяется электромагнитной постоянной времени цепи нагрузки T_э и равна

t₁≈4T_э=4L/R.

Ограничитель максимального выходного напряжения 20 обеспечивает ограничение максимального значения τ₀, что исключает аварийный режим короткого замыкания в инверторе, для чего необходимо: τ₀(U_{у max})>t₁.

Работа силовых ключей разъясняется на фиг.4, н.

Действующее значение напряжения на нагрузке 9 определяется формулой:

где τ₂ - регулируемая длительность в секундах, f - частота в герцах.

Величина τ₂ зависит от значения напряжения управления U_y

где U_п.m - максимальное напряжение «пилы».

Формула (2) справедлива при условии

что имеет место в данном случае, где а=1÷10 Гц.

Объединяя формулы (1) и (2), окончательно имеем:

где - относительная величина напряжения управления.

Так, при , что очевидно из фиг.4, м.

Следует отметить, что источник тактовых импульсов 11 может быть выполнен по различным схемам, одна из которых приведена на фиг.3, и выполнен на основе генератора синусоидальных колебаний 26 и двух компараторов 27, 28.

За счет определенного порога срабатывания компараторов на выходах «a», «x» имеем импульсы в соответствии с фиг.4.

Таким образом, в заявляемом устройстве за счет введенных в систему управления генератора пилообразных напряжений с частотой 2f, двухвходового компаратора, распределителя импульсов, ограничителя максимального выходного напряжения управляющего органа, а также упрощения вторых формирователей импульсов в каждом канале, а также оригинальной схемы их соединения достигается технический результат.

1. Низкочастотный преобразователь, содержащий однофазный мостовой инвертор напряжения, выполненный на выпрямителе, силовых ключах, например транзисторных и обратных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из источника противофазных тактовых импульсов с частотой f, управляющего органа, каналов управления силовыми ключами с формирователями импульсов управления, соединенными с управляющими цепями соответствующих силовых ключей однофазного мостового инвертора напряжения и управляющего органа, причем источник противофазных тактовых импульсов с частотой f выходами соединен с первыми формирователями импульсов в каждом канале управления, отличающийся тем, что в систему управления введены генератор пилообразных напряжений с частотой 2f, двухвходовый компаратор, распределитель импульсов, ограничитель максимального выходного напряжения управляющего органа, при этом источник противофазных тактовых импульсов выходами подсоединен к входам генератора пилообразных напряжений распределителя импульсов, выход генератора пилообразных напряжений соединен с первым входом двухвходового компаратора, второй вход которого подсоединен к выходу управляющего органа, при этом распределитель импульсов содержит, например, два ключа, выходы которых соединены с входами вторых формирователей импульсов в каждом канале управления, а к управляющему органу подсоединен ограничитель максимального выходного напряжения.

2. Низкочастотный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что однофазный мостовой инвертор напряжения содержит два обратных диода.