Преобразователь частоты

СОЮЗ СОВЕТСКИСОЦИАЛИСТИЧЕРЕСПУБЛИК 9) 1) Н 02 М 5 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ(71) Специальное конструкторскотехнологическое бюро геофизическойтехники(56) 1. Авторское свидетельство СССР.В 838980, кл. Н 02 М 7/537,Н 02 М 1/12, 1980.2. Попов В.И, Построение системыуправления инверторами напряженияс использованием принципа стробирования. - В сб.: Проблемы преобразовательной техники. Киев, иэд. ИЭАН УССР, 1979, с. 39.-41.3, Авторское свидетельство СССРУ 323835, кл. Н 02 Р 9/14, 1972.4. Блоцкий Н.Н Стрюцков В.К.Анализ гармонического состава выходного напряжения импульсно-фазовогодетектора. - В сб,: Электронная техника и автоматика, М., "Советскоерадио", 1980, с. 233-240,(54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ,содержащий узел фиксации и храненияуровней напряжения, включающий всебя два запоминающих конденсатора,первые обкладки которых связаны через первую пару ключевых элементовс первым входным выводом, и блокуправления, связанный выходами суправляющими входами указанных ключевых элементов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширенияобласти применения за счет расшире- .ния мощностного диапазона и диапазона изменения характера нагрузки,он снабжен второй парой ключевых элементов, связывающих вторые об"кладки запоминающих конденсаторовс вторым входным выводом, мостовыминвертором, одна шина питания которого подключена через два дополнительно введенных разрядных ключапеременного тока к первой и второйобкладкам соответственно первого ивторого запоминающих конденсаторов,а другая - к объединенным междусобой первой и второй обкладкамсоответственно второго и первогозапоминающих конденсаторов, причемпервый и второй ключевые элементы.соответственно первой и,второй парывыполнены в виде встречно-параллельно соединенных возвратного и зарядного полностью управляемых вентильных элементов, второй и первый клюевые элементы соответственно вто рой и первой пары - в виде встречнопараллельно соединенных возвратного полностью управляемого и зарядного неуправляемого вентильныхэлементов, а блок управления содержит два формирователя прямоугольного напряжения (ФПН), два фазосдвигающих узла (ФСУ), задающийгенератор (ЗГ), два компаратора,три двухвходовых логических элемента И, четыре трехвходовых логических элемента И и три логическихэлемента НЕ, причем первые входыпервых двух двухвходовых и двухтрехвходовых логических элементов Иподключены к выходам первого ФПН,вход которого связан с входом преобразователя, вторые входы этих жедвухвходовых логических элементовподключены к выходу этого же ФПН че 11 рез первый ФСУ, первый и второй входы третьего двухвходового логического элемента И связаны с выходами второго ФПН соответственно через второй ФСУ и непосредственно, выход этого логического элемента И подключен к первым входам третьего и четвертого логических элементов И непосредственно, а к вторым входам первых двух трехвходовых логических элементов И через первый логический элемент НЕ, выходы первого и второго компараторов подключены к третьим входам соответственно лерво 50711го и второго трехвходовых логических элементов И непосредственно и через второй и третий логические элементы НЕ к вторым входам третьего и четвертого трехвходовых логических элементов И, третьи входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго двухвходовых логических элементов И, вы" ход ЗГ подключен к входу второго ФПН и к первым входам двух комлараторов, вторые входы которых связаныс обкладками соответственно первого и второго запоминающих конденсаторов.20 Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к бестрансформаторным преобразователям переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение дру гой частоты.Известен преобразователь содержащий источники питания, параллельно которым включены емкости, переключатель отводов, мостовой инвертор и 10 схему управления, в качестве источников питания служат аккумуляторные батареи, выпрямитель, подключенный к сети переменного тока и т.д. За счет переключателя отводов на его 15 выходе формируется однополярное сту. пенчатое напряжение, которое затем мостовым инвертором преобразуется в переменное с улучшенным гармоническим составом Я .Недостатком данного преобразователя является узкая область применения, обусловленная тем, что количест во ступеней выходного напряжения в практике ограничивается тремя пятью. Увеличение количества ступеней выходного напряжения приводит к усложнению первичного источника питания, увеличению количества ключевых элементов и стоимости вторичных источников питания, Кроме того, при выполнении источников питания различных уровней напряжения по схеме: трансформатор"выпрямительс Глаживающий фильтр ф нельзя получать 35 высокое качество электрической энер 1 гии в динамических режимах (при сбросе или набросе нагрузки). Обусловлено это в основном инерционными свойствами сглаживающего фильтра.Известен также преобразователь частоты, содержащий генератор импульсов управления, ключевой элемент и запоминающее устройство, Указанный преобразователь частоты подключен к источнику синусоидально го напряжения, При этом генератор импульсов управления формирует однололярные узкие импульсы, частота которых отличается от частоты синусоидального напряжения на величину выходной частоты рассматриваемого устройства, Цепи управления ключевого элемента соединены с генератором импульсов управления, что обеспечивает кратковременное подключение запоминающего устройства, выполняемого обычно на конденсаторе, к источнику синусоидального напряжения (сети переменного тока). На входе запоминающего устройства формируется ступенчатое напряжение, частота которого равна разности час" тот источника синусоидального напряжения и генератора импульсов управпения 21 .Недостатком указанного решения является узкая область применения: такие устройства могут успещно применяться только в схемах управления силовых устройств преобразовательной техники,11507 5 Известен преобразователь частоты,содержащий блок предварительнойфиксации напряжения, включающий последовательно соединенные ключевойэлемент, запоминающую емкость и 5эмитторнцй повторитель, блок выборкии хранения напряжения, состоящийиз зарядных ключевых элементов,запоминающих емкостей и эмитторных повторителей, соединенных по 10балансной схеме, и блок управления.На вход блока управления поступаетпеременное напряжение, сдвинутоев общем случае относительноговходного синусоидального напряжения на регулируемый угол М . Навыходе блока управления формируютсяузкие импульсы управления в моментперехода входного напряжения черезнуль и поочередно поступают на 20включение зарядных ключевых элементов и включение ключевого элемента блока предварительной фиксациинапряжения. На блок предварительнойфиксации напряжения поступает сумма 25синусоидального напряжения ипостоянного напряжения смещения,т,е.однонолярное пульсирующее напряжение. Выходное напряжение, частотакоторого равна разности частот входного и спорного напряжений, снимается с эмитторных повторителей,соединенных по балансной схеме, ипоступает на выходной преобразователь, на выходе которого можетформироваться ступенчатое напряжение 3,Недостатком такого преобразователя также является узкая областьприменения, так как он используетсяв блоках управления устройств преобразовательной техники и не можетработать .на мощные нагрузки с меняющимся коэффициентом мощности.Наиболее близким по технической 45сущности к предлагаемому являетсяпреобразователь частоты, содержащийдва параллельных канала выборки и.хранения входного напряжения,включающих два усилителя, зарядный ключевой элемент, выходной дифферен-циальный усилитель и формировательимпульсов выборки. Элементами аналоговой памяти являются усилителис конденсаторами в цепи обратной 55связи, входящие в каналы выборкии хранения входного напряжения.формирователь импульсов выборки 11обеспечивает поочередную подачуна цепи управления зарядных ключевыхэлементов узких импульсов, под действием которых они включаются, иконденсаторы в цепях обратной связиусилителей заряжаются пропорционально мгновенному значению входного напряжения и хранят заряд доследующего момента выборки. Навходы выходного дифференциальногоусилителя поступают напряжения отдвух усилителей каналов выборки ихранения напряжения, а на выходеформируется переменное напряжение ступенчатой формы 41.Однако известные устройстватакже имеют узкую область применения: они могут успешно применятьсятолько в схемах управления, так какподключать к выходу нагрузку активно-индуктивного или активно-.емкостного характера принципиальноневозможно.Цель изобретения - расширениеобласти применения преобразователяпутем обеспечения работы его намощную нагрузку с любым коэффициентом мощности,Поставленная цель достигаетсятем, что преобразователь частоты,содержащий узел фиксации и храненияуровней напряжения, включающий в себя два запоминающих конденсатора,первые обкладки которых связанычерез первую пару ключевых элементов с первцм входным выводом, и блокуправления, связанный выходами суправляющими входами указанных ключевых элементов, снабжен второй па"рой ключевых элементов, связывающихвторые обкладки запоминающих конденсаторов с вторым входным выводом,мостовым инвертором, одна шина питания которого подключена через двадополнительно введенных разрядныхключа переменного тока к первой и .второй обкладкам соответственнопервого и второго запоминающихконденсаторов, а другая - к обьединеннцм между собой первой и второйобкладкам соответственно второго ипервого запоминающих конденсаторов,причем первый и второй ключевыеэлементы соответственно первой ивторой пары выполнены в виде встречно-параллельно соединенных возвратного и зарядного полностью управляемых вентильных элементов, второй и1 О 30 35 50 первой ключевые элементы соответствейно второй и первой пары - в виде встречно-параллельно соединенных возвратного полностью управляемого и зарядного неуправляемого вентильных элементов, а блок управления содержит два формирователя прямоугольного напряжения (ФПН), два фазосдвигающих узла (ФСУ), задающий генератор (ЗГ), два компаратора, три двухвходовых логических элемента И, четыре трехвходовых логических элемента И и три логических элемента НЕ, причем первые входы первых двух двухвходовых и двух трехвходовцх логических элементов И подключены к выходам первого ФПН, вход которого связан с входом преобразователя, вторые входы этих же двухвходовых логических элементов подключены к выходу этого же ФПН через первый ФСУ, первый и второй входы третьего двухвходового логического элемента И связаны с выходами второго ФПН соответственно через второй ФСУ и непосредственно, выход этого логического элемента И подключен к первым входам третьего и четвертого логических элементов И непосредственно, а к вторым входам первых двух трехвходовых логических элементов И через первый логический элемент НЕ, выходы первого и второго компараторов подключены к третьим входам соответственно первого и второго трехвходовых логических элементов И непосредственно я через второй и третий логические элементы НЕ к вторым входам третьего и четвертого трехвходовых логических элементов И, третьи входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго двухвходовых логических элементов И., выход ЗГ подключен к входу второго ФПН и к первым входам двух компараторов, вторые входы которых связанй с обкладками соответственно первого и второго ,запоминающих конденсаторов.На фиг.1 представлена схема преобразователя частоты; яа фиг.2 "блок управления в развернутом виде; на фиг.3 - диаграмиы напряжений яа отдельных элементах схемы.Преобразователь частоты (фиг.1) содержит узел фиксации и хранения уровней напряжения, включающий в себя два запоминающих конденсатора 1 и 2, первые (верхние) обкладки которых связаны через первую пару 3 и 4 ключевых элементов с первым входным выводом 5, блок управления 6, связанный выходами с управляющими входами указанных ключевых элементов, вторую пару 7 и 8 ключевых элементов, связывающих вторые (нижние) обкладки запоминающих конденсаторов 1 и 2 с вторым входным выводом 9, мостовой инвертор на управляемых вентильных элементах 10"13, одна шина 14 питания которого подключена через два разрядных ключа переменного тока 15 и 16 к первой (верхней) и второй (нижяей) обкладкам соответственно первого 1 и второго 2 запоминающих конденсаторов, а другая 17 в . к объединенным между собой первой (верхней) и второй (нижней) обкладкам соответственно второго 2 и первого 1 запоминающих конденсаторов, причем первый 3 и второй 8 ключевые элементы соответственно первой (3 и 4) и второй (7 и 8) пары выполнены в виде встречно-параллельно соединенных возвратного 18 и 19 и зарядного 20 и 21 полностью управляемых вентильных элементов, второй 4 и первый 7 ключевые элементы соответственно второй (7 и 8) и первой (3 и 4) пары - в виде встречно-параллельно соединенных возвратного 22 и 23 полностью управляемого и зарядного 24 и 25 неуп" равляемого вентильных элементов. К выходным выводам 26 и 27 подключена нагрузка 28.Блок управления (фиг,2) содержит последовательно соединенные первый формирователь прямоугольного напряжения (ФПН) 29, связанный с входными выводами 5 я 9, и первый фазосдвигающий узел (ФСУ) 30, два двухвходовых логических элемента И 31 и 32, подключенных соответственно к различным выходам ФПН 29 и ФСУ 30, последовательно соединенные второй ФПН 33 связанный с генератором задающего напряжения (ЗГ) .34,второй ФСУ 35 и третий логический элемент И 36, связанный дополнительно с вторым ФПН 33. первый логический элемент НЕ 37, подключенный к выходу логического элемента И 36, амплитудные компараторы 38 и 39 связанные с различными запоминающими конденсаторами1 и 2 и ЗГ 34, два трехвходовых ло гических элемента И 40 и 41, соединенных с логическим элементом НЕ 37,с соответствующими амплитудными компараторами 38 и 39 и с различнымивыходами первого ФПН 29, два трехвходовых логических элемента И 42и 43, связанных с логическим элементом И 36, с соответствующими логичес.кими элементами И 30 и 31 и логическими элементами НЕ 44 и 45,подключенными к соответствующим амплитудньм компаратором 38 и 39.На фиг.З представлено напряжение 46 на входных выводах, задающеенапряжение 47 - на выходе ЗГ 34,напряжение 48 - на выходе первогоФПН 29, напряжения 49 и 50 - навыходах логических элементов И 31и 32, напряжение 51 - на выходевторого ФПН 33, напряжение 52 - навыходе логического элемента И 36,напряжение 53 - на выходных выводах26 и 27 преобразователяПреобразователь частоты работаетследующим образом,При подаче напряжения сети навыходе первого ФПН 29 получаетсяпрямоугольное напряжение, фазакоторого совпадает с фазой напряжения входной сети (46 и 48 нафиг,З). Полученные напряжения поступают в противофазе на цепи управления разрядных ключей переменного тока 15 и 16 (с двухсторонней проводимостью), чем достигается поочередное подключение запоминающих конденсаторов 1 и 2 к входумостового инвертора на транзисторах 10-13. На выходе второго ФПН33, на вход которого поступаетзадающее напряжение 47, формируется прямоугольное напряжение 51выходной (задающей) частоты. Полученные напряжения 51 поступают впротивофазе на цепи управленияключевых элементов 10-13 мостовогоинвертора, На входы амплитудныхкомпараторов 38 и 39 поступаетзадающее напряжение 47 и напряжения П( и 0 с р у пропорциональныесоответственно напряжениям на запоминающих конденсаторах 1 и 2, Еслинапряжение 47 больше напряжения Юпоступающего, например, от конденсатора 1, то на выходе амплитудного компаратора 38 формируется1 О 15 сов управления только тогда, когда ЗО 35 40 45 0 55"1" и "разрешающее" напряжениепоступает на логический элемент И 40для включения зарядного ключевого элемента (транзистора) 20, которыйобеспечивает заряд конденсатора 1до напряжения, соответствующего текущему значению амплитуды задающего напряжения 47.Однако для включения транзистора 20 на вход логического элемента И 40 необходимо подать "1" от первого ФПН 39 и от логического элемента НЕ 37. Сигналы от первого ФПН 29 обеспечивают подачуимпульвыключен ключевой элемент 15 ("1"на логическую схему И поступает,когда на ключевой элемент 15 поступает "0", т.езапирающее напряжение в интервале времени (о-С )Сигнал с логической схемы НЕ 37поступает в интервалах времени0-Тн/4, Т/2 -ЗТ/4, Т. (Тн+Т/4 )где ТН - период выходного напряжения и напряжения ЗГ, Выделение такихинтервалов достигается за счет ФСУ 35 и логического элемента И 36ФСУ 35 формирует на выходе прямоугольное напряжение, сдвинутое относительно напряжения 51 формирователя 33 на 90 эл. град. Таким образом транзистор 20 включается (в интервале времени Т -й ), если.формируется поднимающаяся часть выходного напряжения (го, ) и задающее напряжение 47 больше напряжения. П до которого заряжен конденсатор 1, те. ко времени Т, конденсатор будет заряжен приблизительно до напряжения, соответствующего времени й 1 задающего напряжения 7. С момента времени от йдо й,на вход логического элемента И 40 посту пает "0" от ФПН 29 и подается напряжение на включение ключевого элемента 15 и выключение ключевого эле мента 16. В интервале времени й "подготавливается (подзаряжается) аналогичным образом конденсатор 2, а нагрузка 28 получает энергию от конденсатора 1. При этом на поднимающейся части задающей синусоиды 47 импульсы управления на транзисторы 18, 19, 23 и 22 не поступают, а реактивная мощность нагрузки (активно-индуктивная нагрузка) сбрасывается поочередно через обрат ные диоды мостового инвертора и чеО момент времени диоды, включенныепоследовательно с возвратными транзисторами 18, 23, 19 и 22, выключены, но по мере снижения амплигудынапряжения сети диоды включаются иэнергия, запасенная в конденсаторах поочередно начинает сбрасываться в первичную сеть, После достижения напряжений Бс, и Пна запоминающих конденсаторах величины,соответствующей задающему напряжению 47 на выходе логических элементов НЕ 44 и 45, появляется "0",токопроводящие транзисторы 18, 23и 19, 22 выключаются и прекращаетсяразряд емкости 1 или 2 в первичнуюсеть, Подготовленный таким образомзапоминающий конденсатор в последующий интервал времени подключаетсяк нагрузке 28. Включение транзисторов 18, 2319, 22 в момент максимума входного напряжения позволяетограничить ток разряда конденсаторачерез первичную сеть. В качествезадающего напряжения 47 может применяться напряжение любой формы(трапеция, прямоугольник),Величина емкости конденсаторов расчитывается иэ условия изменения напряжения на них при максимально возможной нагрузке. Поэтому при набросе нагрузки в рассматриваемом преобразователе будет наблюдаться меньшая зависимость мгновенного напряжения (провал выходного напряжения) по сравнению с традиционными преобразователями, работающими с отрицательными обратными связями, Если при сбросе нагрузки в традиционных преобразователях наблю дается увеличение мгновенного значения напряжения, то в предлагаемом преобразователе этого не будет, так как сброс нагрузки с конденсатора не приводит к увеличению напряжения на нем. Кроме того, построение преобразователей исключает проблему устойчивости замкнутых систем.Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты в отличие от прототипа имеет более широкуюобласть применения за счет работы на мощную нагрузку с любым коэффициентом мощности, что позволит применять его для питания мощныхнагрузок. 9 1150711рез обратные диоды мостового инвертора и через два разрядных ключапеременного тока 25 и 16 в конденсаторы 1. и 2. При этом включениеключевых элементов 16 и 15 осуществляется соответственно в моментыВремени шоу Егв 141 Е 6 у иС Е , Е ,Но так какнапряжения запоминающих конденсаторов в эти моменты времени больше Онапряжения сети (больше нуля), тодиоды, включенные последовательно .с воэвратньви управляемыми вентильными элементами 21 и 20, запертыи запоминающие конденсаторы начнутзаряжаться только с момента времени,когда мгновенное значение напряжения сети сравняется с напряжениемзапоминающих конденсаторов 2 и 1,Такое управление позволяет ограничить зарядный ток запоминающих конденсаторов, величина которого определяется разностью напряжений междупервичньм источником и конденсатором. В интервалах времени Т/ -Т/2, ИЗТИ -Т, (Т+ТГ 4 ) в (Т+ТЙ )выходное напряжение преобразователядолжно уменьшаться во времени поамплитуде и поэтому энергия, заласенная в конденсаторах, сбрасывает"ся в первичный источник питания(входную сеть). Достигается этоза счет возвратных управляемыхвентильных элементов (транзисторов)18, 23, 19 и 22, управляемых отлогических элементов И 42 и 43;Наих входы поступают напряжения 52 отлогического элемента И 36, напряжения 49.и 50 от двух логических эле-ментов И 31 и 32 и от логическихэлементов НЕ 44 и 45, подключенныхк амплитудным компараторам 38 и39, На входы логических элементов И31 и 32 поступают прямоугольныенапряжения 48 с выхода ФПН 29 инапряжение, сдвинутое на 90 эл.град,фаэосдвигающей схемой 30 относительно напряжения 48. На выходахлогических элементов НЕ 44 и 45 будут формироваться 1когда задаю щщее напряжение 47 меньше напряжений Б и О на соответствующихС 1кондейсаторах 1 и 2. Таким образом,на ниспадающей части выходного(задающего) напряжения включение55транзисторов 18, 23, 19 и 22 происходит в момент максимума входногонапряжения сети. В первоначальный11Предлагаемый преобразователь частоты характеризуется, кроме того, высоким качеством электрической энергии в статических и динамических режимах и для него применима интегральная технология изготовле 1150711 ния за счет отсутствия в схемемоточник изделий (согласующихтрансформаторов и дросселей )что позволит сократить массуи габариты систем электропитания,1150711 г.д Составител Техред С.Л Гееза Корректор В. Гнрняк Патент ул. Проектная,4 И 5 Редактор К. ВолЗаказ 2158/42 Тираж 646 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 3035, Москва, Ж, Раушская наб.д. 4/5