RU2155432C1 - Преобразователь частоты - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для озонатора большой мощности. Изобретение расширяет область применения преобразователя частоты (ПЧ). ПЧ содержит однофазный мостовой выпрямитель (ВП) на диодах (ДИ)1-4 и однофазный мостовой инвертор (ИН) на транзисторах (ТР) 5-8, входные выводы (ВХ) которого подключены к выходным выводам (ВЫ) ВП через первый 9 и второй 10 дроссели (ДР) фильтра (ФИ) и зашунтированы конденсатором (КН) ФИ 11, ТР5-8 зашунтированы КН12-15 и ДИ 16-19, последовательные цепи (ПП) из датчика напряжения (ДН) 20 на ТР6 эмиттерной группы, порогового элемента (ПЭ) 21, ключевой схемы (КЛ) 22 и выходного каскада (ВК) 23, ВЫ которого соединены с управляющими электродами (УЭ) ТР 5,8 диагонали (ДГ) моста ИН, из ДН24 на втором ТР8 эмиттерной группы, ПЭ25, КЛ26 и ВК27, ВЫ которого соединены с УЭ ТР6, 7 второй ДГ моста ИН, из задающего генератора (ЗГ) 28 и делителя частоты (ДЧ) 29, первый выход которого соединен с вторым входом КЛ22, а второй выход - с вторым входом КЛ26, ВХ ВП подключены к ВХ ПЧ через автоматический выключатель 30, снабженный катушкой независимого расцепителя (КА) 31, ВЫ ВП зашунтированы варистором (ВА) 32, КН11 зашунтирован резистором 33, ТР5-8 ИН зашунтированы ВАЗ 34-37, ВЫ ИН соединены с ВЫ ПЧ через последовательно соединенные ДР38 и трансформатор 39, к вторичной обмотке которого подключен озонатор 40, ПЦ из датчика тока (ДТ) 41 на входе ВП, ФИ42, ПЭ43, триггера (ТГ)44, схемы питания 45 КА 31, из генератора пилообразного напряжения 46, вход которого соединен с выходом ЗГ28, и ПЭ47, выход которого соединен с третьими входами КЛ22, 26, из ДН48 в ДГ переменного тока ИН, ФИ49, устройства сравнения (УС)50, схемы выбора сигнала обратной связи (СВ)51, схемы управления 52, выход которой соединен с вторым входом ПЭ47, из ДТ53 в ДГ переменного тока ИН, ФИ54, УС55, выход которого соединен с вторым входом СВ51, ДН56 на КН11, выход которого соединен с вторыми входами ПЭ21, 25, схему пуска 57, первый выход которой соединен с выходом ПЭ25, а второй - с вторым входом ТГ44, источник задающих напряжений 58, первый выход которого соединен с вторым входом ПЭ43, второй выход - с вторым входом УС50, а третий выход - с вторым входом УС55. Технический результат - расширение области применения. 1 ил.

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для озонатора большой мощности.

Известен преобразователь частоты, содержащий однофазный мостовой выпрямитель на диодах и однофазный мостовой инвертор на транзисторах, входные выводы которого подключены к выходным выводам выпрямителя и зашунтированы конденсатором фильтра, транзисторы зашунтированы коммутирующими конденсаторами и встречными диодами, блок управления, выходные выводы которого соединены с управляющими электродами транзисторов инвертора, входные выводы выпрямителя подключены к входным выводам преобразователя, выходные выводы инвертора соединены с выходными выводами преобразователя (патент России 2061292, МКИ H 02 M 5/44. Способ управления преобразователем частоты/Силкин Е.М. - Заявл. 22.09.92. Опубл. 27.05.96. - Бюл. N 15).

Недостатком преобразователя частоты является узкая область применения и невозможность его использования для питания озонатора.

Известен преобразователь частоты, содержащий однофазный мостовой выпрямитель на диодах и однофазный мостовой инвертор на транзисторах, входные выводы которого подключены к выходным выводам выпрямителя и зашунтированы конденсатором фильтра, транзисторы зашунтированы коммутирующими конденсаторами и встречными диодами, блок управления, выходные выводы которого соединены с управляющими электродами транзисторов инвертора, входные выводы выпрямителя подключены к входным выводам преобразователя, выходные выводы инвертора соединены с выходными выводами преобразователя (патент России 2031534, МКИ H 02 M 5/45. Преобразователь переменного тока для питания индуктора/Силкин Е.М. - Заявл. 22.09.92. Опубл. 20.03.95. - Бюл. N 8).

Недостатком преобразователя частоты является узкая область применения и невозможность его использования для питания озонатора.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь частоты (патент России 2040105, МКИ H 02 M 5/458. Преобразователь переменного тока для питания индуктора/Силкин Е.М. - Заявл. 23.01.92. Опубл. 20.06.95. - Бюл. N 20), который и рассматривается в качестве прототипа.

Прототип содержит однофазный мостовой выпрямитель на диодах и однофазный мостовой инвертор на транзисторах, входные выводы которого подключены к выходным выводам выпрямителя через первый и второй дроссели фильтра и зашунтированы конденсатором фильтра, транзисторы зашунтированы коммутирующими конденсаторами и встречными диодами, блок управления, включающий последовательные цепи из датчика напряжения на транзисторе эмиттерной группы, порогового элемента, ключевой схемы и выходного каскада, выходные выводы которого соединены с управляющими электродами транзисторов диагонали моста инвертора, из второго датчика напряжения на втором транзисторе эмиттерной группы, второго порогового элемента, второй ключевой схемы и второго выходного каскада, выходные выводы которого соединены с управляющими электродами транзисторов второй диагонали моста инвертора, из задающего генератора и делителя частоты, первый выход которого соединен с вторым входом ключевой схемы, а второй выход - с вторым входом второй ключевой схемы, входные выводы выпрямителя подключены к входным выводам преобразователя, выходные выводы инвертора соединены с выходными выводами преобразователя.

Недостатком прототипа является узкая область применения и невозможность его использования для питания озонатора.

Изобретение направлено на решение задачи расширения области применения преобразователя частоты, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователе частоты, содержащем однофазный мостовой выпрямитель на диодах и однофазный мостовой инвертор на транзисторах, входные выводы которого подключены к выходным выводам выпрямителя через первый и второй дроссели фильтра и зашунтированы конденсатором фильтра, транзисторы зашунтированы коммутирующими конденсаторами и встречными диодами, блок управления, включающий последовательные цепи из датчика напряжения на транзисторе эмиттерной группы, порогового элемента, ключевой схемы и выходного каскада, выходные выводы которого соединены с управляющими электродами транзисторов диагонали моста инвертора, из второго датчика напряжения на втором транзисторе эмиттерной группы, второго порогового элемента, второй ключевой схемы и второго выходного каскада, выходные выводы которого соединены с управляющими электродами транзисторов второй диагонали моста инвертора, из задающего генератора и делителя частоты, первый выход которого соединен с вторым входом ключевой схемы, а второй выход - с вторым входом второй ключевой схемы, входные выводы выпрямителя подключены к входным выводам преобразователя через автоматический выключатель, снабженный катушкой независимого расцепителя, выходные выводы выпрямителя зашунтированы варистором, конденсатор фильтра зашунтирован резистором, транзисторы инвертора зашунтированы варисторами, выходные выводы инвертора соединены с выходными выводами преобразователя через последовательно соединенные дроссель и трансформатор, преобразователь снабжен последовательными цепями из датчика тока на входе выпрямителя, фильтра, третьего порогового элемента, триггера, схемы питания катушки независимого расцепителя, соединенной с катушкой, из генератора пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом задающего генератора, и четвертого порогового элемента, выход которого соединен с третьими входами ключевых схем, из третьего датчика напряжения в диагонали переменного тока инвертора, второго фильтра, устройства сравнения, схемы выбора сигнала обратной связи, схемы управления, выход которой соединен с вторым входом четвертого порогового элемента, из второго датчика тока в диагонали переменного тока инвертора, третьего фильтра, второго устройства сравнения, выход которого соединен с вторым входом схемы выбора сигнала обратной связи, четвертым датчиком напряжения на конденсаторе фильтра, выход которого соединен с вторыми входами порогового и второго порогового элементов, схемой пуска, первый выход которой соединен с выходом второго порогового элемента, а второй - с вторым входом триггера, источником задающих напряжений, первый выход которого соединен с вторым входом третьего порогового элемента, второй выход - с вторым входом устройства сравнения, а третий выход - с вторым входом второго устройства сравнения.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является расширение области применения преобразователя частоты, возможность его использования в качестве источника питания мощного озонатора. В заявляемом преобразователе частоты обеспечивается согласование и гальваническая развязка цепи питания и озонатора, автоматическое повторное включение при пробое озонаторных трубок, управление, регулирование и защита в соответствии с требованиями технологии электросинтеза озона.

Расширение области применения преобразователя частоты является полученным техническим результатом, обусловленным введением новых элементов и связей, т. е. отличительными признаками. Таким образом, отличительные признаки заявляемого преобразователя частоты являются существенными.

На чертеже приведена принципиальная схема преобразователя частоты.

Преобразователь частоты содержит однофазный мостовой выпрямитель на диодах 1-4 и однофазный мостовой инвертор на транзисторах 5-8, входные выводы которого подключены к выходным выводам выпрямителя через первый 9 и второй 10 дроссели фильтра и зашунтированы конденсатором фильтра 11, транзисторы зашунтированы коммутирующими конденсаторами 12-15 и встречными диодами 16-19, последовательные цепи из датчика напряжения 20 на транзисторе эмиттерной группы, порогового элемента 21, ключевой схемы 22 и выходного каскада 23, выходные выводы которого соединены с управляющими электродами транзисторов диагонали моста инвертора, из второго датчика напряжения 24 на втором транзисторе эмиттерной группы, второго порогового элемента 25, второй ключевой схемы 26 и второго выходного каскада 27, выходные выводы которого соединены с управляющими электродами транзисторов второй диагонали моста инвертора, из задающего генератора 28 и делителя частоты 29, первый выход которого соединен с вторым входом ключевой схемы, а второй - с вторым входом второй ключевой схемы, входные выводы выпрямителя подключены к входным выводам преобразователя через автоматический выключатель 30, снабженный катушкой независимого расцепителя 31, выходные выводы выпрямителя зашунтированы варистором 32, конденсатор фильтра зашунтирован резистором 33, транзисторы инвертора зашунтированы варисторами 34-37, выходные выводы инвертора соединены с выходными выводами преобразователя через последовательно соединенные дроссель 38 и трансформатор 39, к вторичной обмотке которого подключен озонатор 40, последовательные цепи из датчика тока 41 на входе выпрямителя, фильтра 42, третьего порогового элемента 43, триггера 44, схемы питания катушки независимого расцепителя 45, соединенной с катушкой, из генератора пилообразного напряжения 46, вход которого соединен с выходом задающего генератора, и четвертого порогового элемента 47, выход которого соединен с третьими входами ключевой и второй ключевых схем, из третьего датчика напряжения 48 в диагонали переменного тока инвертора, второго фильтра 49, устройства сравнения 50, схемы выбора сигнала обратной связи 51, схемы управления 52, выход которой соединен с вторым входом четвертого порогового элемента, из второго датчика тока 53 в диагонали переменного тока инвертора, третьего фильтра 54, второго устройства сравнения 55, выход которого соединен с вторым входом схемы выбора сигнала обратной связи, четвертый датчик напряжения на конденсаторе фильтра 56, выход которого соединен с вторыми входами порогового и второго порогового элементов, схему пуска 57, первый выход которой соединен с выходом второго порогового элемента, а второй - с вторым входом триггера, источник задающих напряжения 58, первый выход которого соединен с вторым входом третьего порогового элемента, второй выход - с вторым входом устройства сравнения, а третий выход - с вторым входом второго устройства сравнения.

Преобразователь частоты работает следующим образом. Транзисторы диагоналей моста инвертора 5, 8 и 6, 7 включаются поочередно. За цикл работы транзисторов 5-8 в нагрузке формируется полный период выходного переменного тока. В исходном состоянии коммутирующие конденсаторы 13, 14 заряжены на предыдущем интервале работы до напряжения на конденсаторе фильтра 11. Напряжения на коммутирующих конденсаторах 12, 15 при этом равны нулевому значению. При равенстве напряжений с выходов датчиков напряжения 56 на конденсаторе фильтра 11 и 20 на транзисторе 6 на выходе порогового элемента 21 имеет место сигнал высокого уровня, открывающий ключевую схему 22. При наличии сигналов на выходах делителя частоты 29 и порогового элемента 47 происходит подача импульса управления с выхода выходного каскада 23 и включение транзисторов 5, 8. При включении транзисторов 5, 8 начинает протекать ток в цепи: 11-5-38-39-8-11. Формируется полуволна прямого тока через нагрузку 40. Выключение транзисторов 5, 8 осуществляется по срезу импульса с выхода делителя частоты 29. При выключении транзисторов 5, 8 ток продолжает протекать в прежнем направлении за счет энергии, накопленной в электромагнитных полях дросселя 38 и трансформатора 39, по цепи: 38-39-14-11-13-38. Происходит разряд коммутирующих конденсаторов 13, 14 и заряд коммутирующих конденсаторов 12, 15. При равенстве напряжений с выходов датчиков напряжения 56 на конденсаторе фильтра 11 и 24 на транзисторе 8 на выходе порогового элемента 25 имеет место сигнал высокого уровня, открывающий ключевую схему 26. При наличии сигналов на выходах делителя частоты 29 и порогового элемента 47 происходит подача импульса управления с выхода выходного каскада 27 и включение транзисторов 6, 7. При включении транзисторов 6, 7 начинает протекать ток по цепи: 11-7-39-38-6-11. Формируется полуволна обратного тока через нагрузку 40. Выключение транзисторов 6, 7 осуществляется по срезу импульса с выхода делителя частоты 29. При выключении транзисторов 6, 7 ток продолжает протекать в прежнем направлении за счет энергии, накопленной в электромагнитных полях дросселя 38 и трансформатора 39 по цепи: 38-12-11-15-39-38. Происходит разряд коммутирующих конденсаторов 12, 15 и заряд коммутирующих конденсаторов 13, 14. При равенстве напряжений с выходов датчиков напряжения 56 на конденсаторе фильтра 11 и 20 на транзисторе 6 на выходе порогового элемента 21 снова имеет место сигнал высокого уровня, открывающий ключевую схему 22. При наличии сигналов на выходах делителя частоты 29 и порогового элемента 47 происходит подача импульса управления с выхода выходного каскада 23 и включение транзисторов 5, 8. При включении транзисторов 5, 8 электромагнитные процессы в преобразователе повторяются.

Выходное напряжение преобразователя при изменении напряжения сети стабилизируется за счет изменения интервала паузы в работе транзисторов инвертора 5-8. Задание уровня выходного напряжения инвертора осуществляется сигналом с выхода источника задающих напряжений 58. Напряжение в диагонали переменного тока инвертора измеряется датчиком напряжения 48 и через фильтр 49 поступает на вход устройства сравнения 50. Сигнал рассогласования между измеренным датчиком 48 напряжением в диагонали переменного тока инвертора и сигналом задания с выхода источника задающих напряжений 58 поступает на вход схемы выбора сигнала обратной связи 51. Если выходной ток преобразователя частоты не превышает установленного максимального значения, то на вход схемы управления 52 поступает сигнал рассогласования с выхода устройства сравнения 50. Схема управления 52 обеспечивает усиление сигнала, поступающего с выхода схемы выбора сигнала обратной связи 51, и ограничение его по максимальному и минимальному уровням. В соответствии с сигналом с выхода схемы управления 52 пороговый элемент 47 формирует разрешающий сигнал на входах ключевых схем 21, 26. Длительность интервала приложения разрешающего сигнала с выхода порогового элемента 47 изменяется пропорционально сигналу с выхода схемы управления 52. Таким образом, стабилизируется выходное напряжение преобразователя. Изменение интервала приложения разрешающего сигнала с выхода порогового элемента 47 осуществляется в функции сигнала на выходе генератора пилообразного напряжения 46. Обнуление генератора пилообразного напряжения 46 происходит по фронту импульса с выхода задающего генератора 28. Импульсы с выхода задающего генератора 28 поступают на вход обнуления генератора пилообразного напряжения 46.

При возрастании тока в нагрузке 40 в соответствии с сигналом с выхода датчика тока 53 в диагонали переменного тока инвертора возрастает уровень сигнала на выходе устройства сравнения 55. Задание уровня выходного тока инвертора осуществляется источником задающих напряжений 58. При превышении сигналом с выхода устройства сравнения 55 сигнала с выхода устройства сравнения 50 схема выбора сигнала обратной связи 51 подает на вход схемы управления 52 сигнал с выхода устройства сравнения 55. При этом преобразователь частоты переходит в режим стабилизации выходного тока. Работа всех остальных элементов при стабилизации выходного тока осуществляется аналогично.

При существенном возрастании тока (выход из строя озонаторной трубки) по сигналу порогового элемента 47 происходит запирание ключевых схем 21, 26. Если при этом ток в нагрузке снижается до номинального уровня, то преобразователь восстанавливает работоспособность, т.е. обеспечивается автоматическое повторное включение.

При дальнейшем возрастании тока через элементы преобразователя по сигналу датчика тока 41 на входе выпрямителя производится выключение автоматического выключателя 30. Выключение осуществляется переводом триггера 44 по сигналу с выхода порогового элемента 43 в состояние, обеспечивающее включение схемы питания 45 катушки независимого расцепителя 31. Порог срабатывания порогового элемента 43 задается источником задающих напряжений 58.

Схема пуска 57 при пуске преобразователя частоты переводит триггер 44 в исходное состояние, а также обеспечивает формирование разрешающего сигнала на выходе порогового элемента 25.

Варистор 32 ограничивает уровень перенапряжений при коммутациях диодов выпрямителя 1-4. Резистор 33 служит для разряда конденсатора фильтра 11 при выключении преобразователя частоты. Варисторы 34-37 ограничивают уровень перенапряжений в диагонали переменного тока инвертора и обеспечивают защиту обмоток дросселя 38 и трансформатора 39 от пробоя изоляции.

Схема выбора сигнала обратной связи 51 выполняется в виде диодной схемы ИЛИ, делитель частоты 29 - на основе триггера со счетным входом, пороговые элементы 21, 26, 43, 47 - на основе компараторов. Устройства сравнения 50, 55 и схема управления 52 могут быть реализованы на основе операционных усилителей.

По сравнению с прототипом расширяется область применения преобразователя частоты за счет возможности его применения в качестве источника питания озонатора. В заявляемом преобразователе обеспечивается гальваническая развязка и согласование цепи питания и озонатора за счет введенных трансформатора и дросселя. В преобразователе реализованы автоматическое повторное включение, регулирование, стабилизация режима работы и защита в соответствии с требованиями технологии электросинтеза озона.

Claims (1)

1. Преобразователь частоты, содержащий однофазный мостовой выпрямитель на диодах и однофазный мостовой инвертор на транзисторах, входные выводы которого подключены к выходным выводам выпрямителя через первый и второй дроссели фильтра и зашунтированы конденсатором фильтра, транзисторы зашунтированы коммутирующими конденсаторами и встречными диодами, блок управления, включающий последовательные цепи из датчика напряжения на транзисторе эмиттерной группы, порогового элемента, ключевой схемы и выходного каскада, выходные выводы которого соединены с управляющими электродами транзисторов диагонали моста инвертора, из второго датчика напряжения на втором транзисторе эмиттерной группы, второго порогового элемента, второй ключевой схемы и второго выходного каскада, выходные выводы которого соединены с управляющими электродами транзисторов второй диагонали моста инвертора, из задающего генератора и делителя частоты, первый выход которого соединен с вторым входом ключевой схемы, а второй выход - с вторым входом второй ключевой схемы, отличающийся тем, что входные выводы выпрямителя подключены к входным выводам преобразователя через автоматический выключатель, снабженный катушкой независимого расцепителя, выходные выводы выпрямителя зашунтированы варистором, конденсатор фильтра зашунтирован резистором, транзисторы инвертора зашунтированы варисторами, выходные выводы инвертора соединены с выходными выводами преобразователя через последовательно соединенные дроссель и трансформатор, преобразователь снабжен последовательными цепями из датчика тока на входе выпрямителя, фильтра, третьего порогового элемента, триггера, схемы питания катушки независимого расцепителя, соединенной с катушкой, из генератора пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом задающего генератора, и четвертого порогового элемента, выход которого соединен с третьими входами ключевых схем, из третьего датчика напряжения в диагонали переменного тока инвертора, второго фильтра, устройства сравнения, схемы выбора сигнала обратной связи, схемы управления, выход которой соединен с вторым входом четвертого порогового элемента, из второго датчика тока в диагонали переменного тока инвертора, третьего фильтра, второго устройства сравнения, выход которого соединен с вторым входом схемы выбора сигнала обратной связи, четвертым датчиком напряжения на конденсаторе фильтра, выход которого соединен с вторыми входами порогового и второго порогового элементов, схемой пуска, первый выход которой соединен с выходом второго порогового элемента, а второй - с вторым входом триггера, источником задающих напряжений, первый выход которого соединен с вторым входом третьего порогового элемента, второй выход - с вторым входом устройства сравнения, а третий выход - с вторым входом второго устройства сравнения.