РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Название	РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
Разработчик (Авторы)	Федоров С.В.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	56740
Дата регистрации	04.04.2006
Правообладатель	Федоров Сергей Витальевич
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для регулирования частоты как однофазной, так и многофазной нагрузки, например, может быть использована в частотно-регулируемом электроприводе переменного тока, а также для другого электрооборудования повышенной частоты.

Известно устройство преобразования переменного напряжения в переменное, содержащее управляемый вентиль, датчик (ограничитель) тока, управляемое сопротивление с управляющим выводом и выполненное на транзисторе, выпрямитель на вентилях, нагрузку, выводы для подключения управляющего источника и для подключения источника переменного напряжения [Патент РФ №2119230, Н 02 М 5/257,опубл. 20.09.1998].

Недостатком устройства является то, что выходной сигнал преобразователя искажен наличием высших гармоник, что неблагоприятно сказывается на потребителе напряжения.

Наиболее близким по технической сущности является регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное, содержащий диодный выпрямительный мост, диагональ переменного тока которого через выводы для подключения нагрузки соединена с выводами для подключения сети переменного тока, тиристор, анод которого подключен к положительному выводу диагонали постоянного тока диодного выпрямительного моста, блок управления, выход которого соединен с управляющим электродом тиристора, резистор, включенный между анодом тиристора и положительным выводом питания блока управления, отрицательный вывод которого соединен с катодом тиристора. Также он содержит первый и второй диоды, конденсатор и пороговый ключевой элемент, который включен между катодом тиристора и отрицательным выводом диагонали постоянного тока диодного

выпрямительного моста. Катод первого диода соединен с положительным выводом питания блока управления, а анод - с катодом второго диода и первым выводом конденсатора, второй вывод которого подключен к отрицательному выводу диагонали постоянного тока диодного выпрямительного моста. Анод второго диода соединен с отрицательным выводом питания блока управления [А.с. СССР №1709478, кл. Н 02 М 5/257, опубл. 30.01.92].

Недостатком указанного преобразователя является содержание высших гармоник, а также наличие пауз в кривой напряжения нагрузки.

Задачей полезной модели является получение более качественных выходных характеристик преобразователя за счет существенного снижения уровня содержания высших гармоник в его выходном напряжении.

Указанная задача решается регулируемым преобразователем частоты, содержащим диодный выпрямительный мост, блок управления, первый и второй диоды, пороговое устройство, который в отличие от прототипа дополнительно содержит первый и второй фазосдвигающие устройства, выходами соединенные со входами третьего и четвертого диодов, параллельно соединенных через трансформатор к нагрузке, первый и второй управляемые источники напряжения с заземленными выводами, соединенные через первый и второй диоды с первичной обмоткой трансформатора, причем блок управления содержит вычислительное устройство, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно первого и второго фазосдвигающих устройств, а третий выход которого соединен с управляющими входами первого и второго управляемого источника напряжения, и задающее устройство, соединенное с первым входом вычислительного устройства, второй вход которого соединен с выходом порогового устройства, вход которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой, а входы фазосдвигающих устройств объединены и соединены через ключ с источником переменного напряжения.

Существо полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема преобразователя, на фиг.2 а - входной сигнал

преобразователя, на фиг.2 б - сигнал на выходе первого фазосдвигающего устройства, на фиг.2 в - сигнал на выходе второго фазосдвигающего устройства, на фиг.2 г - сигнал на выходе порогового устройства, 2 д - выходной сигнал преобразователя.

Преобразователь частоты (фиг.1) содержит первое и второе фазосдвигающие устройства (ФУ) 1 и 2, первый и второй управляемые источники напряжения (УИН) соответственно 3 и 4, первый (D1) и второй (D2) диоды 5 и 6, третий (D3) и четвертый (D4) диоды 7 и 8, пороговое устройство 9, трансформатор 10, нагрузку 11, блок управления 12, включающий вычислительное устройство 13 и задающее устройство 14.

Входы первого 1 и второго 2 ФУ объединены и подсоединены через ключ К к сети переменного напряжения, а их выходы соединены со входами третьего 7 и четвертого 8 диодов, параллельно которым через первый 5 и второй 6 диоды подключены первый 3 и второй 4 управляемые источники напряжения. Выходы третьего 7 и четвертого 8 диодов через трансформатор 10 соединены с нагрузкой 11 и пороговым устройством 9, выход которого соединен со вторым входом вычислительного устройства 13, первый вход которого соединен с задающим устройство 14, а первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно первого 1 и второго 2 ФУ, а третий выход которого соединен с управляющими входами первого 3 и второго 4 УИН.

ФУ обеспечивает сдвиг фазы входного сигнала и содержит сумматор, два управляемых усилителя и устройство сдвига. Пороговое устройство может быть выполнено в виде компаратора. В качестве вычислительного устройства может быть использован контроллер серии Р 1 С 16 Х 7 ХХ.

Преобразователь частоты работает следующим образом.

После запуска преобразователя при разомкнутом ключе К вычислительное устройство 13 устанавливает нулевой фазовый сдвиг в фазосдвигающих устройствах 1 и 2. Выходная частота преобразователя устанавливается задающем устройством 14 путем задания необходимого напряжения U в

управляемых источниках напряжения 3 и 4, которое рассчитывается в вычислительном устройстве 13.

Задачей трансформатора 10 является передача отрицательных и положительных полуволн с выхода выпрямителей на нагрузку, исключив их взаимное влияние.

Напряжение U управляемых источников напряжения 3 и 4 влияет как на амплитуду, так и на длительность полуволн выходных колебаний. Длительность полуволны τ зависит от напряжения U следующим образом

где Т- период колебания входного сигнала.

При этом должно меняться в пределах U∈[0;E₀).

Значение напряжения U в блоках 3 и 4 задается при помощи вычислительного устройства 13, которое в соответствии с требуемой частотой (заданной задающим устройством 14)

рассчитывает необходимое значение напряжение U, которое нужно установить в управляемых источниках напряжения 3 и 4. Зависимость между требуемой частотой ω и напряжением U вытекает из формул (1) и (2)

Задачей фазосдвигающих устройств 1 и 2 является поочередный сдвиг положительных и отрицательных полуволн выходного сигнала выпрямителей, выполненных на диодах 7 и 8, для устранения образующихся промежутков на выходе преобразователя путем изменения фазы входного сигнала e_вх(t), поступающего на входы выпрямителей. В результате этого на выходе преобразователя должен появиться синусоидальный сигнал y_вых(t)=Y₀·sin(ωt) с частотой ω.

При этом работа фазосдвигающих устройств 1 и 2 происходит следующим образом. Замыкание ключа К приводит к тому что на преобразователь поступает положительная или отрицательная полуволна. Во время поступления положительной полуволны при выполнении условия е_вх(t)>U открывается диод 7 (диод 8 закрыт), и начинается формирование положительной полуволны на выходе преобразователя с длительностью τ. Пороговое устройство 9 фиксирует ее образование в виде импульса с длительностью, равной длительности данной полуволны, и сообщает об этом вычислительному устройству 13. За время длительности положительной полуволны τ фазосдвигающее устройство 2 должно изменить фазу входного сигнала так, чтобы после окончания полуволны, т.е. после закрытия диода 7 на выходе преобразователя началось формирование отрицательной полуволны. Это осуществляется при открытии диода 8. При этом сигнал на выходе фазосдвигающего устройства 9 должен уменьшиться до значения - U.

Работа вычислительного устройства 13 заключается в расчете необходимого фазового сдвига для ФУ 2. Этот расчет производится сразу же после прихода импульса с порогового устройства 9, сигнализирующего о начале образования на выходе преобразователя положительной полуволны. Изменение фазы в ФУ 2 осуществляется сразу же после вычисления необходимого фазового сдвига. После начала формирования отрицательной полуволны на выходе преобразователя, пороговое устройство сообщает об этом контроллеру, который сразу же после прихода импульса с порогового устройства сигнализирующего о начале образования на выходе преобразователя отрицательной полуволны рассчитывает значение сдвига фазы и затем осуществляет сдвиг фазы при помощи ФУ 1.

Далее процесс продолжается по аналогичной схеме. Результатом является формирование на выходе преобразователя непрерывного синусоидального сигнала (фиг.2 д).

При размыкании ключа К пороговое устройство 9 передает на вычислительное устройство 13 сигнал о размыкании ключа К. Далее вычислительное

устройство обнуляет сдвиги фаз на ФУ 1 и ФУ 2 и, в дальнейшем, при повторном замыкании ключа К процесс повторяется с начала.

Работа преобразователя проиллюстрирована на фиг.2 а-д.

Значение напряжения U в блоках УИН 3 и 4 принято равным 100 В. Амплитуда входного напряжения 220 В. Частота входного напряжения 50 Гц. Поскольку напряжение в блоках 3 и 4 принято равным 100 В, то открытие диода 7 (начало формирования положительной полуволны на выходе преобразователя) происходит при достижении выходного сигнала ФУ 1 значения 100 В. Этот момент времени обозначен на фиг.2 как t₁. При этом на выходе порогового устройства 9 устанавливается значение 1 В (фиг.2, г). Необходимый фазовый сдвиг для ФУ 2 (фиг.2, в) рассчитывается и устанавливается сразу же при приходе в вычислительное устройство 13 с порогового устройства 9 импульса с амплитудой 1 В (на фиг.2, в моменты времени t₁, t₃, t₅, t₇). Необходимый фазовый сдвиг для ФУ 1 (фиг.2, б) рассчитывается и устанавливается сразу же при приходе в вычислительное устройство 13 с порогового устройства 9 импульса с амплитудой -1 В (на фиг.2, г моменты времени t₂, t₄, t₆. На выходе преобразователя устанавливается следующий сигнал (фиг.2, д)

y_вых(t)=Y₀·sin(ωt),

который начинает действовать с момента времени

Для сравнения на фиг.3 приведены входной (а) и выходной (б) сигналы преобразователя в случае отсутствия фазосдвигающих устройств, задающего устройства, вычислительного устройства. Наличие пауз в выходном сигнале неблагоприятно сказывается на потребителе напряжения.

Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного напряжения в переменное обеспечивает существенное снижение уровня содержания высших гармоник в его выходном напряжении.

Формула полезной модели

Регулируемый преобразователь частоты, содержащий диодный выпрямительный мост, блок управления, первый и второй диоды, пороговое устройство, отличающийся тем, что он дополнительно содержит первый и второй фазосдвигающие устройства, выходами соединенные со входами третьего и четвертого диодов, параллельно соединенных через трансформатор к нагрузке, первый и второй управляемые источники напряжения с заземленными выводами, соединенные через первый и второй диоды с первичной обмоткой трансформатора, причем блок управления содержит вычислительное устройство, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно первого и второго фазосдвигающих устройств, а третий выход которого соединен с управляющими входами первого и второго управляемого источника напряжения, и задающее устройство, соединенное с первым входом вычислительного устройства, второй вход которого соединен с выходом порогового устройства, вход которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой, а входы фазосдвигающих устройств объединены и соединены через ключи с источником переменного напряжения.

Изобретение "РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ" (Федоров С.В.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога