Патент на изобретение №2311717

(54) СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, НАПРЯЖЕНИЯ И ФАЗЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к энергетической электронике и предназначено для использования в качестве высокочастотного (400 Гц) однофазного (220 В) источника питания большой мощности (>1.0 кВт). Технический результат заключается в повышении надежности, уменьшении массогабаритных показаний, улучшении метрологических характеристик, обеспечении 50% кратковременной перегрузочной способности и упрощении эксплуатации. Он состоит из входного трехфазного силового разделительного трансформатора, выпрямителя с дроссельным фильтром и модулем «мягкого старта», управляемого импульсного мостового инвертора, выполненного на биполярных транзисторах с изолированным затвором, однофазного фильтра повышенной частоты, выходного однофазного трансформатора гальванической развязки, трехканального сигнализатора контроля фазного напряжения по каждой из трех фаз, блока управления, датчиков напряжения, тока и температуры, пяти индикаторов свечения (светодиодов) с различными режимами свечения и цветности. Блок управления включает в себя коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, кварцевый генератор, логический модуль, процессор, датчик температуры, буферные и импульсные усилители. Режим охлаждения: воздушно-конвективный, без вентилятора. Приборы визуального контроля и органов управления отсутствуют. КПД 90%, вероятность безотказной работы 0,9. 7 ил.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.

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.

РИСУНКИ