Пристрій для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу довільної частоти

Реферат: Пристрій для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу довільної частоти містить під'єднаний до мережі живлення промислової частоти силовий випрямляч з середньою точкою, на виходи якого підключені два однакових, включених послідовно, конденсатори, спільна клема яких підключена до середньої точки силового випрямляча, перший ключовий елемент, який підключений до позитивної клеми першого конденсатора, другий ключовий елемент, який підключений до негативної клеми другого конденсатора. На керуючі входи першого та другого ключових елементів приходять керуючі сигнали підвищеної частоти від блока керування ключами, а виходи першого та другого ключових елементів підключені до одного з виводів дугового навантаження, другий вивід якого підключений до середньої точки силового випрямляча. Додатково введені перший регулятор зарядного струму конденсатора, вхід якого підключений до позитивного виходу силового випрямляча, а вихід - до позитивної клеми першого конденсатора, другий регулятор зарядного струму конденсатора, вхід якого підключений до негативної клеми другого конденсатора, індуктивний обмежувач швидкості наростання струму дугового навантаження та другий блок керування для вибору та підтримки рівня зарядних струмів обох конденсаторів. UA 103509 U (12) UA 103509 U UA 103509 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі електротехнології, зокрема до джерел вторинного електроживлення, які призначені для живлення радіоелектронної апаратури, засобів автоматики. Сучасний рівень розвитку електронного приладобудування потребує створення джерел живлення, характерною ознакою яких є висока надійність при мінімальних масових та габаритних параметрах. Один з напрямків вирішення задачі перетворення величини напруги полягає в використанні джерел вторинного електроживлення з безтрансформаторним входом, в яких напруга мережі живлення промислової частоти перетворюється пристроєм на силових перемикаючих елементах (діодах, транзисторах або тиристорах) в змінну напругу підвищеної частоти. Саме тому є актуальним створення пристроїв для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу довільної частоти. Зазвичай, пристрої для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу підвищеної частоти містять під'єднаний до мережі живлення промислової частоти силовий випрямляч з середньою точкою, на виході якого знаходиться конденсатор та включений паралельно конденсатору перетворювач, керуючий вхід якого підключений до блока підвищеної частоти, а вихід підключений до первинної обмотки вихідного трансформатора, вторинна обмотка якого є виходом пристрою, до якого може підключатися навантаження, зокрема дугове [Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом / А.А. Бас, В.П. Миловзоров, А.К. Мусолин. - М.: Радио и связь, 1987. - 160 с.: ил.]. При включенні пристрою-аналога для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу підвищеної частоти до мережі живлення змінна напруга випрямляється силовим випрямлячем та заряджає конденсатор. Перетворювач постійної напруги в змінний струм підвищеної частоти, згідно з сигналами блока підвищеної частоти, створює в первинній обмотці вихідного трансформатора пульсуючий струм, який перетворюється вихідним трансформатором в змінну напругу підвищеної частоти. Перетворювач постійної напруги в змінний струм підвищеної частоти може бути виконаний: по одноімпульсній двоключовій (2-switch forward) схемі [Эраносян С.А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. - Л: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1991. - С. 176); по двоімпульсній двоключовій "push-pull" схемі (Перетворювальна техніка. Підручник ч. 2 / Ю.П. Гончаров, О.В. Будьонний, В.Г. Морозов, М.В. Панасенко, В.Я. Романенко, B.C. Руденко. За ред. B.C. Руденко. - Харків: Фоліо, 2000. - 360 с. ISBN 966-03-06970] або по двоімпульсній чотириключовій повномостовій (full bridge) схемі [Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом для электронной аппаратуры. Учеб. пособие / В.В. Пилинский. - Киев: КПИ, 1985. - 104 с.]. Спільним недоліком цих пристроїв - аналогів є зниження надійності пристрою з тієї причини, що напруга однополярного силового випрямляча безпосередньо підключена до силових перемикаючих ключів перетворювача і, при роботі, в динамічному режимі, напруга між електродами цих ключів може перевищувати напругу однополярного силового випрямляча майже в два рази. В результаті може відбутися електричне пошкодження напівпровідникових переходів ключів, та, як результат, вихід пристрою з ладу. За прототип корисної моделі, що пропонується, прийнятий пристрій для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу підвищеної частоти, що містить під'єднаний до мережі живлення промислової частоти силовий випрямляч з середньою точкою, до виходів якого підключені два однакових, включених послідовно, конденсатори, причому середня точка силового випрямляча підключена до спільної клеми обох конденсаторів та два включені паралельно конденсаторам ключові елементи, на керуючі входи яких приходять керуючі сигнали підвищеної частоти, а виходи підключені до включених протифазно, первинних обмоток вихідного трансформатора, вторинна обмотка якого є виходом пристрою, до якого може підключатися навантаження, зокрема дугове. [Патент України UA № 63087; опубл. 26.09.2011, бюл. № 18, 2011; Коротинский О.Є., Скопюк М.І., Драченко М.П. "Пристрій для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напруги підвищеної частоти"]. У винаході-прототипі, процес перетворення змінної напруги промислової частоти в змінний струм підвищеної частоти реалізується наступним чином. Вхідна напруга мережі живлення промислової частоти випрямляється силовим випрямлячем з середньою точкою та накопичується, в додатних півперіодах вхідної напруги, першим конденсатором, а в від'ємних півперіодах вхідної напруги - другим конденсатором. Блок керування генерує імпульси керування, які періодично і по черзі включають ключові елементи, що включені паралельно конденсаторам. В результаті, в першій первинній обмотці генеруються додатні півперіоди підвищеної частоти, а в другій - від'ємні півперіоди підвищеної частоти. Магнітні потоки, що створюються струмами в першій та другій первинних обмотках, складаються, з урахуванням їх 1 UA 103509 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 знака, в осерді трансформатора. Сумарний знакозмінний магнітний потік індукує напругу змінного струму у вторинній обмотці трансформатора, яка підключена до виходу пристрою, до якого може підключатися навантаження. Недоліками цього пристрою є, по-перше, обмеження функціональних можливостей пристрою з причини залежності електричних параметрів вихідного трансформатора від частоти. По-друге, низька надійність роботи пристрою, причиною якої може бути несиметричність додатних та від'ємних півперіодів напруги підвищеної частоти, яка виникає через неоднаковість електричних параметрів первинних обмоток та ключових елементів. В результаті, може статися "замагнічування" осердя вихідного трансформатора, що порушує режим нормального функціонування пристрою. По-третє, пристрій-прототип має підвищену матеріалоємність та високу собівартість, причиною якої є те, що при виготовленні вихідного трансформатора використовуються недешеві матеріали, такі як електротехнічні сталі (до речі не виготовляються в Україні) та кольорові метали (мідь, алюміній, тощо). В основу корисної моделі, що пропонується, поставлена задача розширення функціональний можливостей пристрою, підвищення надійності роботи пристрою та зниження матеріалоємності і собівартості при промисловому випуску пристрою для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу довільної частоти. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в пристрій для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу довільної частоти, що містить під'єднаний до мережі живлення промислової частоти силовий випрямляч з середньою точкою, на виході якого підключені два однакових, включених послідовно, конденсатори, спільна клема яких підключена до середньої точки силового випрямляча, перший ключовий елемент, який підключений до позитивної клеми першого конденсатора, другий ключовий елемент, який підключений до негативної клеми другого конденсатора, причому на керуючі входи першого та другого ключових елементів приходять керуючі сигнали довільної частоти від блока керування ключами, а виходи першого та другого ключових елементів підключені до одного з виводів дугового навантаження, другий вивід якого підключений до середньої точки силового випрямляча, згідно з корисною моделлю, введені перший регулятор зарядного струму конденсатора, вхід якого підключений до позитивного виходу силового випрямляча, а вихід - до позитивної клеми першого конденсатора, другий регулятор зарядного струму конденсатора, вхід якого підключений до негативної клеми другого конденсатора, індуктивний обмежувач швидкості наростання струму дугової навантаги та другий блок керування для вибору та підтримки рівнів зарядних струмів обох конденсаторів. В запропонованій корисній моделі розширення функціональний можливостей пристрою досягається за рахунок зменшення залежності електричних параметрів елементів пристрою від частоти, підвищення надійності роботи пристрою досягається за рахунок того, що несиметричність позитивних та негативних півперіодів напруги підвищеної частоти не впливає ніяким чином на режими функціонування складових елементів пристрою, а зниження матеріалоємності і собівартості при промисловому випуску пристрою досягається зменшенням об'єму магнітних та мотальних складових в конструкції пристрою. Зазначений вище технічний результат, який забезпечується в процесі роботи запропонованого варіанта пристрою для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу довільної частоти, обумовлений ознаками, які відрізняють цей варіант за сумою ознак від подібних пристроїв, описаних згідно з відомим рівнем техніки, зокрема описаних і як аналоги, і як прототип. Запропонований пристрій для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу довільної частоти пояснюють наведені креслення, де: на фіг. 1 зображена функціональна схема пристрою для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу довільної частоти. на фіг. 2 зображена одна з можливих форм вихідного струму пристрою, на якій позначено: + А - амплітуда позитивної складової вихідного струму; А - амплітуда негативної складової вихідного струму; + d - тривалість позитивної складової вихідного струму; d - тривалість негативної складової вихідного струму; t1 - момент початку позитивної складової (співпадає з початком періоду струму дугової навантаги); t2 - момент кінця позитивної складової струму дугового навантаження; t3 - момент початку негативної складової струму дугового навантаження; t4 - момент кінця негативної складової струму дугового навантаження; t5 - кінець періоду струму дугового навантаження; T - період в струму дугового навантаження. 2 UA 103509 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Згідно з функціональною схемою (фіг. 1) пристрій для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу довільної частоти містить під'єднаний до мережі живлення промислової частоти 1 силовий випрямляч 2 з середньою точкою 3, на виходи якого підключені два однакові, включені послідовно, конденсатори 4 та 5, спільна клема яких підключена до середньої точки 3 силового випрямляча 2. Перший регулятор зарядного струму 6 конденсатора 4 силовим входом підключений до позитивного виходу силового випрямляча 2, силовим виходом - до позитивної клеми першого конденсатора 4, а входом керування - до першого виходу другого блока керування 7. Другий регулятор зарядного струму 8 конденсатора 5 силовим входом підключений до негативного виходу силового випрямляча 2, силовим виходом - до негативної клеми другого конденсатора 5, а входом керування - до другого виходу другого блока керування 7. Перший ключовий елемент 9 підключений входом до позитивної клеми першого конденсатора 4, виходом - до першого входу дугової навантаги 10, а входом керування - до першого виходу першого блока керування 11. Другий ключовий елемент 12 підключений входом до негативної клеми другого конденсатора 5, виходом - до першого входу дугової навантаги 10, а входом керування - до другого виходу першого блока керування 11. Другий вхід дугової навантаги 10 підключений до середньої точки 3 силового випрямляча 2 через індуктивний обмежувач швидкості наростання струму дугової навантаги 13. Опис роботи джерела, що заявляється. У корисній моделі, що пропонується, процес перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу довільної частоти відбувається в межах заявленої схеми наступним чином. Змінна напруга промислової частоти 1 випрямляється силовим випрямлячем 2 та заряджає через регулятори зарядного струму 6 та 8 конденсатори 4 та 5, які з'єднані послідовно, причому спільна клема конденсаторів 4 та 5 підключена до середньої точки 3 силового випрямляча. Струм заряду кожного з конденсаторів 4 та 5 встановлюється та підтримується на встановленому рівні окремо другим блоком керування 7. Накопичена конденсаторами 4 та 5 енергія, різна за величиною в загальному випадку, відбирається періодично першим 9 та другим 12 ключовими елементами. Період, тривалість замкнутого стану ключових елементів 9 та 12 та часові моменти їх включення та виключення в межах періоду встановлюється та підтримується на встановленому рівні окремо для кожного ключового елемента 9 та 12 першим блоком керування 11. В результаті, в дуговому навантаженні 10 формується змінний пульсуючий струм, частота якого є оберненою величиною періоду, який встановлюється та підтримується на встановленому рівні першим блоком керування 11, причому тривалість та амплітуда позитивної та негативної складової струму в дуговому навантаженні 10 можуть бути різними в залежності від параметрів сигналів блока керування 11. Індуктивний обмежувач швидкості наростання струму дугового навантаження 13 запобігає підвищенню напруги на виводах ключових елементів 9 та 12 в моменти зміни їх провідності (моменти t1, t2, t3 та t4 на фіг. 2). Одна з можливих форм струму в дуговому навантаженні 10 показана на фіг. 2. Таким чином, введення двох регуляторів зарядного струму конденсаторів та блока керування для роздільного вибору та підтримки рівнів зарядних струмів обох конденсаторів та індуктивного обмежувача швидкості наростання струму дугового навантаження, довільного вибору періодичності роботи пристрою, тривалості замкнутого стану ключових елементів та часових моментів їх включення та виключення в межах періоду розширює функціональні можливості, так як робить заявлюваний пристрій придатним для живлення зварювальних установок, в яких реалізуються різні технологічні прийоми зварювання, без додаткових доповнень та переобладнань. Підвищення надійності роботи пристрою досягається за рахунок того, що несиметричність позитивних та негативних півперіодів напруги ніяким чином не впливає на режими функціонування складових елементів пристрою, а зниження матеріалоємності і собівартості при промисловому випуску пристрою досягається мінімальною присутністю магнітних та мотальних елементів в конструкції пристрою. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Пристрій для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу довільної частоти, що містить під'єднаний до мережі живлення промислової частоти силовий випрямляч з середньою точкою, на виходи якого підключені два однакових, включених послідовно, конденсатори, спільна клема яких підключена до середньої точки силового випрямляча, перший ключовий елемент, який підключений до позитивної клеми першого конденсатора, другий ключовий елемент, який підключений до негативної клеми другого конденсатора, причому на керуючі входи першого та другого ключових елементів приходять керуючі сигнали підвищеної 3 UA 103509 U 5 частоти від блока керування ключами, а виходи першого та другого ключових елементів підключені до одного з виводів дугового навантаження, другий вивід якого підключений до середньої точки силового випрямляча, який відрізняється тим, що введені перший регулятор зарядного струму конденсатора, вхід якого підключений до позитивного виходу силового випрямляча, а вихід - до позитивної клеми першого конденсатора, другий регулятор зарядного струму конденсатора, вхід якого підключений до негативної клеми другого конденсатора, індуктивний обмежувач швидкості наростання струму дугового навантаження та другий блок керування для вибору та підтримки рівня зарядних струмів обох конденсаторів. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4