61 Вопрос. Преобразователи частоты.

Преобразователь частоты (частотный преобразователь) – устройство для изменения частоты электрического напряжения (тока). Он состоит из выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный, и инвертора (обычно с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный.

Основное назначение преобразователя частоты – это регулирование скорости трехфазного асинхронного или синхронного электродвигателя. Помимо этого преобразователь частоты может регулировать момент двигателя. В зависимости от способа преобразования энергии частотные преобразователи бывают двух видов:

• непосредственные;

• двухступенчатые.

В настоящее время более распространены преобразователи второй группы. Судя по названию не трудно понять, что данный тип преобразователей производит двойное преобразование энергии. Действительно в силовой части преобразователя можно выделить выпрямитель, который преобразует энергию переменного тока в электрическую энергию постоянного, а также инвертор, выполняющий обратное преобразование.

Ввиду этой особенности преобразователи такого типа также называют преобразователями частоты со звеном постоянного тока.

По способу управления электродвигателем преобразователи можно разделить на следующие группы:

• со скалярным управлением;

• с векторным управлением.

Второй способ управления преобразователем частоты позволяет осуществлять гораздо более качественное управление электродвигателем, нежели первый. Зато настройка такого преобразователя требует глубоких познаний в области устройства электропривода и электрических машин. Скалярный способ управления позволяет осуществлять легкую регулировку, даже при использовании заводских настроек.

62 Вопрос. Преобразователи постоянного напряжения.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сети через управляемые полупроводниковые ключи, преобразующие постоянное напряжение в переменное, а к вторичной обмотке трансформатора подключена нагрузка через выпрямительные диоды и сглаживающий фильтр (Источники электропитания РЭА. Справочник под ред. Г.С.Найвельта. М.: Радио и связь. 1986, стр.360-368). Работа известных преобразователей с высокой частотой коммутации ключей сопровождается резким изменением обратных токов выпрямительных диодов, которые, проходя через паразитные индуктивности рассеяния трансформатора и емкости, вызывают высокочастотные колебания на фронтах импульсов выходного напряжения, создавая перенапряжения на ключах и высокочастотные помехи по цепям питания. Поэтому в качестве сглаживающего фильтра после выпрямителя применяется емкостной фильтр.Недостатком преобразователей с емкостным фильтром является большая амплитуда тока выпрямительных диодов, увеличенные габариты трансформатора, большая зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого присоединена к сети через управляемые полупроводниковые ключи, включенные по мостовой или полумостовой схеме, а вторичная обмотка подключена к нагрузке через полупроводниковый выпрямитель и сглаживающий индуктивно-емкостной фильтр (Р.Северне, Г.Блум. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания; Пер. с англ. Под ред. Л.Е.Смольникова. - М.: Энергоатомиздат, 1988, стр.73-76).

Индуктивно-емкостной фильтр ограничивает амплитуду тока выпрямителя, позволяет уменьшить габариты трансформатора и зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.

Недостатком преобразователей с индуктивно-емкостным фильтром является повышенная установленная мощность и габариты диодов и высокочастотные помехи в цепи источника питания из-за перенапряжений на диодах, вызванных высокочастотными колебаниями на фронтах импульсов напряжения, обусловленных высокочастотной коммутацией инвертирующих ключей и резким изменением обратных токов диодов, проходящих через паразитные индуктивности и емкости цепи - трансформатор-выпрямитель. Высокочастотные колебания напряжения на диодах создают значительные помехи в цепях питания.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение габаритов и стоимости преобразователя постоянного напряжения и уменьшение высокочастотных помех за счет снижения перенапряжений на выпрямительных диодах преобразователя.

Поставленная задача решается тем, что в известном преобразователе постоянного напряжения, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого присоединена к сети через управляемые ключи, собранные по мостовой или полумостовой схеме, а вторичная обмотка подключена к нагрузке через полупроводниковый выпрямитель и сглаживающий индуктивно-емкостной фильтр, между выпрямителем и фильтром включена параллельная демпфирующая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и диода, между индуктивностью и емкостью фильтра параллельно нагрузке включена цепь из дросселя и диода, причем диод подключен согласно с направлением тока дросселя, а к средним точкам параллельных цепей подсоединен управляемый ключ.

Сущность изобретения состоит в том, что применение в известном преобразователе демпфирующей цепи, включенной параллельно между выпрямителем и фильтром и состоящей из конденсатора, диода, управляемого ключа и дросселя, позволило уменьшить габариты и стоимость преобразователя за счет снижения установленной мощности выпрямительных диодов, на которых уменьшены перенапряжения, обусловленные высокочастотной коммутацией инвертирующих ключей и резким изменением обратных токов диодов, проходящих через паразитные емкости и индуктивности трансформаторно-выпрямительной цепи и вызывающих высокочастотные колебания на вершине импульсов выпрямленного напряжения. Также уменьшены высокочастотные помехи предлагаемого преобразователя за счет устранения высокочастотных колебаний напряжения выпрямителя. Поскольку энергия, накопленная в демпфирующей цепи, после фильтрации не выделяется в виде потерь, а отдается нагрузке, сохраняется высокий КПД преобразователя. Применение в демпфирующей цепи отдельного дросселя, установленного параллельно фильтровой индуктивности, позволяет применять заявленное устройство в преобразователях повышенной мощности. Положительный эффект предлагаемого преобразователя подтвержден стендовыми испытаниями изготовленного опытного образца мощностью 50 кВт.

На чертеже изображена принципиальная схема предложенного преобразователя, где обозначено: 1-8 - силовые транзисторные модули; 9 - трансформатор; 10-13 - диоды выпрямителя; 14 - диод демпфирующей цепи; 15 - конденсатор демпфирующей цепи; 16 - фильтровая индуктивность; 17 - транзистор демпфирующей цепи; 18 - дроссель демпфирующей цепи; 19 - диод; 20 - фильтровая емкость.