Однофазный преобразователь частоты

ех- ехГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИ ВТОРСНОМУ СВИ(71) Специальное конструкторско-тнологическое бюро геофизической тники(56) Современные задачи преооразовтельной техники. - Ч. 2, Киев, 197с. 133-137.Авторское свидетельство СССРР 1092680, кл. Н 02 М 5/27, 1982.Авторское свидетельство СССРУ 1205240, кл, Н 02 М 5/27, 1984.(54) ОДНОФАЗНЬЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ(57) Изобретение относится к преобразовательной технике. Целью являетсяповышение надежности и улучшение массогабаритных показателей. Устр-во содержит мост на ключах 1-4 переменноготока, выполненный на транзисторах 512, На выходе включен запоминающийконденсатор 1,5. Для управления транзисторами 5-12 используются импульсные последовательности, формируемыеблоком управления 16 в соответствий сопределенными логическими выражениямие 5 илИзобретение относится к электротехнике, в частности к статическим преобразователям переменного напряженияодной частоты в переменное напряжение 5другой частоты.Целью изобретения является повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей путем упрощениясиловой части, уменьшения количествазапоминающих конденсаторов и уменьшения искажения формы выходного напряжения.На фиг, 1 представлена мостоваясхема преобразователя частоты; на 15фиг. 2 - блок управления; на фиг. 3 -схема сравнивающего устройства, нафиг. 4 - диаграммы напряжений на отдельных элементах схемы, на фиг. 5 -нулевая схема преобразователя частоты.Однофазный преобразователь частотысодержит силовую. часть, выполненнуюпо мостовой схеме на ключах 1"4 переменного тока, на основетранзисторов 255-12, которые соединены с входнымивыводами 13 и 14, запоминающий конденсатор 15 на выходе, блок 16 управления и выходные выводы 17 и 18. Блокуправления (фиг, 2) включает в себя 30первый 19 формирователь импульсов свыходами 20-23, соединенный входомс входными выводами 13 и 14,источник 24 задающего напряжения, надвух выходных выводах 25 и 26 которого Формируются сигналы 11 Л и 11сравнивающий блок 27, соединенныйвходами с вторым выводом 26 источника 24 задающего напряжения, выходными выводами 1 и 18 с напряжением 40Нвьв, второй формирователь 28 им".пульсов, соединенный входом с первымвыходом 25 источника 24 задающегонапряжения, и логический блок, включающий в себя четыре двухвходовых логических элемента ИЛИ 29-32 и восемьпятивходовых логических элементов И33-40, и входами связанный с выхода-.ми 20-23 и 4 1-44 Формирователей импульсов и сравнивающего блока, а выходами - с управляющими входами соответствующих ключей переменного токасиловой части, причем сравнивающийблок 27 соединен дополнительно с первым 21 и вторым 22 вькодами первогоформирователя и имеет дополнительныйвыход 45,Блок управления снабжен дополнительно третьим формирователем 46 импульсов с выходами 47 и 48, которые соединены с входами логического блока (пятивходовыми логическими элементами И 33-40) .Сравнивающий блок 27 (фиг. 3) содержит амплитудные компараторы 49 и 50, входы которых связаны с источником 24 задающего напряжения и выходными выводами 17 и 18 через выпрями- тель 51 и согласующий трансформатор 52, одновибраторы 53 и 54, входы которых соединены с первыми 21 и вторым 22 выходами первого формирователя 19 импульсов напряжения, два 1 К- триггера. 55 и 56, входы С которьк соединены с положительной клеммой питания, входы 1 - с выходами одновибраторов 53 и 54, входы К - с вькодами амплитудньк комиараторов 49 и 50, а их выходы являются выходными клем" мами 43-45 сравнивающего блока, на которых формируются импульсные после" довательности Ез (1), Е (ОЕ (С)Функциональная характеристика логического блока, а также внутренние, его связи между логическими элементами (внешние - с узлами блока управления) определяются следующими логическими выражениями:Е,И) =ГЕ И) ЕИ) Е й) Е (с)+ ЕЕЕ-(") Е, (И Е (еЦрЕ (с) =Е, И). Е,(е) . Е, (а). Е, (е).Е (г.) + Е (г.)Е (й) Е (г.)Е (г.)Е -ГЕ, Е, Е, Е, Е, И) + Е, И) Е, (е) Е(е) Е(е)ЕхЕЕгЕтЕ И) + ЕЕ,Е- ЕЕ (еЦ.На фиг. 4 представлено входное напряжение 57, подаваемое на входные выводы 13 и 14, задающее напряжение Б 58 на выходе 25 источника 24 за314223 дающего напряжения, импульсы Г 59, Г, 60, Е(Г) 61, Г62 управления поступающие. соответственно на транзисторы 5, 12, б, 11; 7, 10 8, 9, выходное напряжение 63, формируемое на выходных выводах 17 и 18, им пульсы напряжения 64 Г (с) на первом выходе 47 третьего формирователя 46 импульсов напряжения им пульсы Е,65, Гбб, Г67,Г (Т 68 собтветственно на первом 21, втором 22, третьем 20 и четвертом 23 выводах первого формирователя 19 импульсов напряжения, импульсы напряже ния 69 й(е) на первом выходе 41 второго формирователя 28 импульсов. На фиг, 5 представлена силовая часть однофазного преобразователя частоты, применение которого особенно целесо образно при формировании выходного напряжения малой амплитуды (десятки вольт), Преобразователь частоты фиг, 5) содержит накопительный конденса тор 70, два ключевых элемента 71 и 25 72, на транзисторах 73-76, первые силовые электроды которых соединены с первой (верхней) обкладкой накопительного конденсатора 70, блок 77 управления, согласующий трансформатор 30 78, первичная обмотка которого подключена к входным выводам 79 и 80, вторичная - к вторым силовым электродам ключевых элементов 71 и 72 средняя точка 81 вторичной обмотки - к второй (нижней) обкладке накопительного конденсатора 70, и выходные выводы 82 и 83 соединены с обкладками накопительного конденсатора 70. Блок 77 управления выполнен аналогично ,. 40 блоку 16 управления (фиг, 2 и 3). Однофазный преобразователь частоты (фиг. 1) работает следующим образом,На вход первого формирователя 1945импульсов напряжения поступает вход-.ное напряжение 58, а на его выходах20-23 формируются импульсные последовательности 67, 65, 66, 68. На выходе 25 формируется задающее напряжение и поступает на второй формирователь 28 импульсов напряжения, напервом выходе 41 которого формируется напряжение 69, а на втором выходе 42 - проинвертированное напряжение 66 К(г.), На втором выходе 26 источника 24 задающего напряжения формируется выпрямпенное напряжение 58,29Указанное выпрямленное напряжение Нпоступает на разные входы ампли 3тудных компараторов 49 и 50, на другие входы которых поступает выходное напряжение 63 (тоже выпрямпенное напряжение П, =К 13 1, пропорциональное выходному напряжению 63, где . К - коэффициент пропорциональности) . На выходе амплитудного компаратора 48 формируется логическая "1" при Н ( Н, а на выходе амплитудного компаратора 50 - при Нз )Н .1 К- триггер 55 обеспечивает на выходе логическую "1" с момента перехода входного напряжения 57 через нуль и до момента равенства Щ = Н . Достигается это за счет формирования узких импульсов напряжения одновибратором 53 по переднему фронту импульса 67 и амплитудным компаратором 49 в момент равенстваН = Щ. 1 К-триг-. гер 56 обеспечивает на выходе логическую "1" с момента максимума входного напряжения 57 до момента равенства 11 =. Такое построение сравнивающего блока 27 позволяет исключить большое количество коммутаций (будет только две коммутации ключевых элементов .1-4) на полупериоде входного напряжения 57, что приводит к повышению КПД преобразователя в целом. Третий формирователь 46 импульсов напряжения обеспечивает определение интервалов времени, где требуется разряд накопительного конденсатора 15, подключен к выходу амплитудно. го компаратора 49 и формирует на выходе импульсы 64 напряжений, передний фронт которых определяется параметрами нагрузки и емкостью запоминающего конденсатора 15, а срез совпада ет с моментом перехода выходного напряжения через нуль. Уменьшение нагрузки или увеличение емкости запоминающего конденсатора приводит к смещению переднего фронта импульсов 64 напряжения влево в пределе до момента максимума амплитуды входного напряжения 63. Простейший вариант схемы третьего формирователя 46 импульсов напряжения базируется на основе дифференцирующей цепочки, которая "не чувствует" узкие импульсы напряжения,поступающие с выхода амплитудного компаратора 49 в интервале времени й- и узкие провалы выходного напряжения амплитудного компаратора 49 в интервалах времени5 14223к3 ФСрИмпульсы уп" , равления Е (С) 59, поступающие на транзисторы 5 и 12 в интервале времени Со - С Формируются на выходе первого пятивходового логического5элемента И 33. На его входы поступают импульсы 65 и 67 с выходов перво,го формирователя 19, импульсы 69 с :первого выхода 41 второго формироватеО ля 28, проинвертированные импульсы ,64(64) с второго выхода 48 третьего формирователя 46 и импульсы с выхода 43 сравнивающего блока 27. Импульсы 59 управления, поступающие в интерваЛе времени С -.Со на эти жи транзисторы 5 и 12, формируются на выхо. де второго пятивходового логического элемента И 34, На его входы поступа-. ют импульсы 68 и 66 с выходов перво Го Формирователя импульсов напряжения 19 проинвертированные импульсы 69 (69) с выхода 42 второго формирователя 28, импульсы 64 с выхода 47 третьего Формирователя 46 и импульсы с 25 выхода 44 сравнивающего блока 27. Выходные импульсные последовательности Пятивходовых логических элементов И ЭЗ и 34 поступают на двухвходовой логический элемент ИЛИ 29 и на его выходе формируются импульсы 59 Е 8 (С) управления для транзисторов 5 и 12, Импульсы 60 Е, (С) управления для транзисторов 6 и 11 формируются на базе пятивходовых логических элементов И 37 и 38. Импульсы 60 управле 35 нйя в интервале времениФормируются на выходе пятивходового логического элемента И 37 за счет подачи на его входы импульсов 68 Е(С), 40 65 Е,(С), 69 Е(С), 64 Е (С) напряже.нйя и с выхода 44 Е 1(С) сравнивающего блока 27. Импульсы 60 управления в интервале времени С -С 2 формируются на выходе пятивходового логического элемента И 38. На выходе двухвхо-. дового логического элемента ИЛИ 31 ф 1 эрмируются импульсы 60, которые поступают ка управляющие электроды транзисторов 6 и 11. Импульсы 61 Е (С) и 62 Ео(С) управления соответственно50 для транзисторов 7, 10 и 8, 9 формируются аналогичным образом (Фиг. 2). Передний фронт импульсов 59 и 62 управления в интервале времени и импульсов 60 и 61 в интервале времени С -Сопределяется моментом перехода входного напряжения 57 через нуль (импульсами 67), а их срез определяется моментом равенства напряжений )111 и Б определяемым сравнивающим блоком 27 (выход 43). Передний форнт импульсов 59 и 62 управления в интервале времени Ск- С 1 иимпульсов 60 и 61 в интервале времениСю- Сбо определяется моментом максимума выходного напряжения 57 (импульсами 68), а их срез определяется ,моментом равенства напряжений01 и011, определяемым сравнивающим блоком 27 (выход 44).Силовая часть преобразователя работает следующим образом.Согласно 59 в интервале времениС, - С, импульс управления Еу(С) поступает на, транзисторы 5 и 12, которые включаются в момект перехода входного напряжения 57 черее куль. Последостижения мгновенного значения выходного напряжения 63 заданной величины (101 = 1 П,/ ), определяемого за"дающим напряжением 58, на, выходе 43сравнивающего блока 27 появляется ло-.гический "0",который обеспечивает снятие управляющих напряжений с транзисторов 5 и 12. С этого момента вре"мени и до момента С нагрузка получает питание от запоминающего конденсатора 15. В момент времени С (момент перехода входного напряжения 57через нуль) импульсы управления 62Е(С) поступают на включение транзисторов 8 и 9, момент выключения которых тоже определяется моментом равенства напряжений 101 и 1 О . Выключение этих транзисторов обеспечиваетсятакже за счет формирования логического "0" на втором выходе 43 сравнивающего блока 27. В интервале времениС - Симпульсы 59 и 62 управленияпоступают только на транзисторы 5,12 и 7, 8. В интервалах времени С- С М.1С 3 о С 2осуществляетсядозаряд накопительного конденсатора15 от первичной сети 13-14, а в интервалах времени Сс-Сзо е Ск,2 С 6 рфпроисходит разряд накопительногоконденсатора 15 через первичную сеть.В интервалах времени Со СклС р Ск,2., напРяжение И,на конденсаторе 15 не больше задающего Б, т.е.всегда 1 Б1 ПД . В интервалах времени Ск -Со, С- С, напряжение Пццна конденсаторе 15 не меньшезадающего Б, т.е. 10 ( 0, Вфинтервале времени С - С импульсы60 и 61 управпения поступают соответ 1422329ственно на транзисторы 6, 11 и 7, 10.г +гг В интервале времени ----им 2 2 Х пульс 61 управления поступают на тран 5 зисторы 7 и 10, причем передний фронт его совпадает с моментом максимума входного напряжения 57 (связан с импульсами 63), а срез - с момейтом равенства 1 ЦЗ 1 и. 1 Ц 1, определяемым 0 сравнивающим блоком 27. Поступление импульсов управлений на транзисторы 7 и 10 в момент максимума входного напряжения 57 исключает большие разрядные токи в цепи конденсатора 15. 15Сгг+12В момент времени --- импульс 60.2управления поступает на транзисторы 6 и 11 и снимается в момент равенства напряжений 10 и Я 1, В интерва ле времени к-с 0 (фиг. 4) импуль-. сы 60 и 61 управления поступают топько на транзисторы 7, 10 и 6, 11, Рассмотренная работа преобразователя частоты в интервале с -сд дает пол ное представление о его функционировании в общем. Передний Фронт импульсов 60 и 61 управления, поступающих на транзисторы 7, 10 и 6, 11, в интервале времени С-гх 2 совпадает с моментом перехода через нуль входного напряжения 57, а их срез - с моментом равенства напряжений01 и . 0,1, Передний фронт импульсов 59 и 62 управления, поступающих на транзисторы 5, 12 и 8, 9, в интервале времени й г -1 о совпадает с максимумом входных;, напряжений 57, а их срез - с моментом равенства напряжений 1031140Однофазный преобразователь частоты (фиг, 5второй преобразовательный блок) работает следующим образом.Для управления транзисторами 73- 76 применяются те же импульсные по следовательности 59-62. Импульсы 59- 62 управления поступают соответственно на транзисторы 74,73,76,75. Эта схема, в отличие от схемы (Фиг. 1), имеет согласующий трансформатор 78 и два ключевых .элемента 71 и 72 на транзисторах 73-76. Эту схему преобразо-. вателя частоты целесообразно применять при формировании на выходных выводах 82-83 напряжения 57 малой амплитуды (десятки вольт), когда последовательное соединение ключевых элементов, выполненных на транзисторах и диодах, существенно сказывается на КПД, надежностии Форме выходногонапряжения. Согласующий трансформатор78 обеспечивает согласование входного напряжения 57 (сотни вольт) и выходного 63 (десятки вольт). Как видно, такой преобразователь частотыпо сравнению с преобразователем пофиг. 1 в два раза имеет меньше ключевых элементов, При положительной полярности напряжения на "начале" вторичной обмотки импульс 59 управленияпоступает в момент перехода входного,напряжения 57 через нуль (момент о)на транзистор 74, который обеспечивает заряд накопительного конденсатора 70 от верхней полуобмотки. Моментвыключения транзистора 74 в интервале времени Со-С 1 совпадает с моментомравенства напряжений 10 и П, который определяет сравнивающий блок27. В другой полупернод входного напряжения 57 импульс 62 управленияпоступает на транзистор 75, при этом,передний Фронт импульса 62 управления совпадает с моментом переходавходного напряжения через нуль С, аего срез - с моментом равенства напряжений П и Б,. Импульсы 59 и62 управления в интервале времениСкпоступают поочередно на транзисторы 74 и 75 для подзарядки накопительного конденсатора 70. В интервале времени е- е, импульсы 61 и60 управления поступают на транзисторы 76 и 73, при етом передние фронтыимпульсов управления совпадают с максимумами входного напряжения 57, асрезы - с моментами равенства напряжений01 и 1,0 . В интервале времени 1-осуществляется разрядконденсатора 70 через вторичную обмотку согласующего трансформатора 78.Последовательности поступления импульсов 59-62 управления в интервалахвремени г-Зо к 2 и "к.2 г-бо наглядно иллюстрируют работу преобразователя частоты (фиг. 5).Таким образом, предлагаемые преоб"разователи частоты выгодно отличаются от известного более высокой надежностью, КПД, меньшей массой и габаритами за счет уменьшения в два разаколичества ключей и накопительных кон"денсаторов. Преобразователи частотыособенно эффективны при формирсааниина выходе напряжения низкой частотыи при большой разности частот входного и выходного напряжений, 34223291422329 Г, Мыцы канич Корректор А.О а акаэ 443 7 53 Тираж бб 5НИИПИ Госуда по делам и 35, Москва,Подписи 4 5 еское предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная оизводственно-полиг Составит едактор О.Головач Техред Мственного комитета СССобретений и открытий