Преобразователь переменного тока в постоянный с системой управления выходными параметрами

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ С СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ ВЫХОДНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Управление пусконаладочных работ(72) Авторы Кистень Михаил Николаевич Балковский Михаил Константинович Хамицевич Александр Васильевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Управление пусконаладочных работ(57) 1. Преобразователь переменного тока в постоянный с системой управления выходными параметрами, содержащий управляемый высокочастотный инвертор, высокочастотный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, размещенными на сердечнике, и выходной выпрямитель, отличающийся тем, что дополнительно содержит входной трехфазный выпрямитель, плату управления и плату индикации, выполненные в виде микропроцессорного блока, два датчика тока, причем к выходу входного выпрямителя подключен силовой вход инвертора, параллельно между выходом трехфазного входного выпрямителя и силовым входом высокочастотного управляемого инвертора подключен сглаживающий конденсатор С 1, а инвертор состоит из двух модулей 1 и 2, каждый 86442012.10.30 из которых состоит из двух транзисторов, между двумя модулями инвертора 1 и 2 параллельно установлен снабберный конденсатор С 2, к одному силовому выходу инвертора подключен вход первого датчика тока, выход которого соединен с одним концом первичной обмотки высокочастотного трансформатора, а второй силовой выход соединен со вторым концом первичной обмотки высокочастотного трансформатора, который, в свою очередь, состоит из одной первичной обмотки и двух вторичных обмоток, выполненных со средней точкой, две средние точки двух вторичных обмоток высокочастотного трансформатора соединены вместе, проходя через второй датчик тока, каждый из четырех концов вторичных обмоток высокочастотного трансформатора подключен к входу выходного выпрямителя, к которому параллельно подключено два -фильтра, а плата управления имеет три аналоговых входа, к которым подключены оба датчика тока и плюсовой и минусовой выходы преобразователя, а также цифровой вход-выход, к которому подключена плата индикации, а также управляющий выход, который подключен к управляющему входу высокочастотного управляемого инвертора. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что датчики тока выполнены как датчики на эффекте Холла. 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что выходной выпрямитель выполнен в виде однополупериодного выпрямителя, собранного на диодах Шоттки, с установленными выходными -фильтрами, собранными на печатных платах, в виде последовательно соединенных резисторов и конденсаторов. 4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что сердечник трансформатора выполнен из феррита . 5. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что плата индикации выполнена с цифровой системой управления и цифровой платой индикации. Полезная модель относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, где требуется преобразование входного промышленного напряжения, регулирование и поддержание выходных параметров тока и напряжения. Может быть использована для питания электрохимических технологических установок энергией постоянного тока,например гальванических ванн, станков электрохимической обработки металлов, переработки шламов гальванических производств. Общие сведения о преобразователях электрической энергии, их классификация, принципы построения полупроводниковых преобразователей изложены в книге 1 Основной недостаток не приведена универсальная схема, которая была бы идеальной для всех случаев применения. Схемотехнических решений преобразователей на сегодня существует немало. Но многим из них свойственны определенные недостатки. Преобразователи, реализованные на тиристорах, требуют регулировок тока или напряжения. При больших токах на транзисторах необходимо устанавливать радиаторы охлаждения или системы охлаждения. Преобразовательная техника - раздел электротехники, предметом которого является разработка способов и средств преобразования электрической энергии. Устройства преоб 2 86442012.10.30 разовательной техники изменяют величины переменного тока (трансформаторы), преобразуют переменный ток в постоянный или в пульсирующий однонаправленный (выпрямители), постоянный или пульсирующий другого напряжения в переменный ток другой частоты называются инверторами. Для выполнения инверсии формируемое переменное напряжение имеет намного более высокую частоту, чем частота сети. Для каждого частного случая применения необходимо выбирать оптимальный вариант схемы, исходя из совокупности требований, предъявляемых к преобразователю, и решать вопрос о правильном выборе схемы. Как показали патентные исследования, проведенные за период 1995-2011 гг. по источникам научно-технической и патентной информации, в отношенииинаблюдается определенная активность патентования в области преобразовательной техники. Наметились следующие тенденции переход с аналоговых схем на цифровые вместе с выбором разработкой новых схем все большее внимание уделяется вопросам обеспечения выходных параметров тока и напряжения разработка источников питания инверторного типа особенно для сварочных аппаратов наблюдается использование микропроцессорной техники для контроля и управления параметрами тока и напряжения. Все это требует решения поставленных задач по созданию новой преобразовательной техники на хорошем изобретательском уровне. В Электротехническом справочнике 2 описаны выпрямители серии В-ТПЕ, В-ТПВ на базе микропроцессорных контроллеров для управления и сигнализации состояния выпрямителя. Программа вводится с клавиатуры контроллера. Программа состоит из не более чем 16 шагов, в каждом из которых задают значение стабилизированного и ограничивающего параметра. Время шага и метод измерения параметра. Недостатки указанного выпрямителя с контроллером заключаются в больших массогабаритных показателях, необходимости использования водяного охлаждения на большие мощности, а также в том, что коэффициент полезного действия на большей части диапазона регулирования менее 85 . Известно устройство для регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя 3, которое содержит двухтактный импульсный преобразователь с двумя высокочастотными управляемыми ключами выходной трансформатор, к вторичной обмотке которого подключен выпрямитель сетевой выпрямитель, подсоединенный через ключ к входу -фильтра выходной -фильтр подключен входом к выходу выпрямителя и выходом к нагрузочной цепи узел управления подключен выходом к входам первичных обмоток разделительных трансформаторов, выводы вторичных обмоток которых подсоединены к цепям управления с датчиком тока. Недостатком этого устройства для регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя является отсутствие защиты от короткого замыкания в цепях трансформатора и на выходе преобразователя. Известны способ управления преобразователем трехфазного переменного напряжения и устройство для его осуществления 4. Устройство содержит двуполярные ключи, включенные каждый последовательно с частями первичной обмотки соответственно однофазного трансформатора. Вторичная обмотка со средней точкой, которая через диоды подключена к выводам нагрузки. Двуполярный ключ выполнен на основе диодного моста,в диагональ которого включен двухоперационный тиристор и -цепь диод, транзистор,конденсатор. Схема управления преобразователем содержит устройство синхронизации, входы которого соединены с фазами питающей сети, которое формирует в каждом из трех каналов прямоугольные импульсы. 3 86442012.10.30 Алгоритм управления осуществляется двуполярными ключами, которые подключают каждую из трех частей первичной обмотки трансформатора к фазам сети с частотой,большей частоты питающей сети, путем запирания тиристора формирователем. Таким образом, происходит передача энергии сети на вторичную обмотку трансформатора, напряжение которой выпрямляется диодами и подается на нагрузку. Основной недостаток в том, что усовершенствование алгоритма управления двуполярными ключами с помощью микропроцессорной системы дано на уровне постановки задачи. Недостатком также является необходимость запоминать вольт-секундную характеристику на предыдущем шаге для определения длительности проводящего ключа на данном шаге, а также необходимость использования устройства синхронизации с питающей сетью. Общими признаками прототипа с заявляемым техническим решением являются преобразователь переменного тока в постоянный с системой управления выходными параметрами, содержащий управляемый высокочастотный инвертор, высокочастотный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, размещенными на сердечнике, и выходной выпрямитель. Задачей заявляемой полезной модели является повышение точности регулирования параметров тока в интерактивном режиме соответствующим задаваемым значениям и обеспечение надежной работы преобразователя. Поставленная задача достигается тем, что преобразователь переменного тока в постоянный с системой управления выходных параметров, содержащий управляемый высокочастотный инвертор, высокочастотный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, размещенными на сердечнике, выходной выпрямитель, дополнительно содержит входной трехфазный выпрямитель, плату управления и плату индикации, выполненные в виде микропроцессорного блока, датчики тока, причем к выходу входного выпрямителя подключен силовой вход инвертора, параллельно между выходом трехфазного входного выпрямителя и силовым входом высокочастотного управляемого инвертора подключен сглаживающий конденсатор С 1, а инвертор состоит из двух модулей 1 и 2, каждый из которых состоит из двух транзисторов, между двумя модулями инвертора 1 и 2 параллельно установлен конденсатор С 2, к одному силовому выходу инвертора подключен вход первого датчика тока, выход которого соединен с одним концом первичной обмотки высокочастотного трансформатора, а второй силовой выход соединен со вторым концом первичной обмотки высокочастотного трансформатора, который, в свою очередь, состоит из одной первичной обмотки и двух вторичных обмоток, выполненных со средней точкой, две средние точки двух вторичных обмоток высокочастотного трансформатора соединены вместе через второй датчик тока, каждый из четырех концов вторичных обмоток высокочастотного трансформатора подключен к входу выходного выпрямителя, к которому параллельно подключено два -фильтра, а плата управления имеет три аналоговых входа, к которым подключены оба датчика тока и плюсовой и минусовой выходы преобразователя цифровой вход-выход, к которому подключена плата индикации, а также управляющий выход, который подключен к управляющему входу высокочастотного управляемого инвертора. Трехфазный мостовой выпрямитель обеспечивает преобразование трехфазного переменного тока промышленной частоты в постоянный ток. Управляемый высокочастотный инвертор выполнен на четырех транзисторах по мостовой схеме из двух полумостовых -модулей. В инвертор входят снабберные конденсаторы и быстродействующий датчик тока на эффекте Холла. Управляемый инвертор также создает возможность использования трансформатора для гальванической развязки и получения требуемых выходных параметров выпрямителя. Высокая частота инвертора позволяет значительно улучшить массогабаритные показатели. Наличие в цепи инвертора быстродействующего датчика обеспечивает защиту инвертора и трансформатора от боль 4 86442012.10.30 ших токов. Быстродействующий датчик тока, установленный по первичной обмотке трансформатора, устраняет рассогласование между плечами транзисторного моста инвертора и обеспечивает защиту преобразователя от перегрузки по току. Высокочастотный трансформатор имеет две вторичные обмотки, собранные по схеме со средней точкой. Первичная обмотка состоит из двух катушек, соединенных последовательно. С вторичных обмоток пониженное и гальванически развязанное с промышленной сетью напряжение выпрямляется на выходном выпрямителе. Благодаря этому полуобмотки работают поочередно, т.е. в каждый момент времени одна полуобмотка работает, а вторая нет, что позволяет экономить на материале. Для обеспечения работы трансформатора на высоких частотах (7-20 кГц) в качестве сердечника могут быть использованы ферриты . В выходном выпрямителе для получения заданного высокого тока и низкого напряжения выполнено параллельное соединение диодов Шоттки. Для предотвращения пробоя диодов из-за перенапряжений в выпрямителе установлены выходные -фильтры, собранные на печатных платах, представляющие последовательно соединенные резисторы и конденсаторы. Плата управления на основе данных, поступающих от выходного датчика тока, установленного на минусовой шине (средняя точка трансформатора), а также на основании обратной связи по напряжению, поступающему с плюсовой и минусовой шины преобразователя, датчика тока по первичной обмотке, обеспечивает автоматическое регулирование и стабилизацию заданных параметров тока или напряжения. Плата управления также защищает транзисторы инвертора от короткого замыкания. Плата управления электрически связана с платой индикации, с помощью которой задаются и отображаются выходные параметры преобразователя. Преобразователь переменного тока в постоянный с системой управления выходными параметрами поясняется следующей схемой, где на фигуре представлена функциональная схема устройства. Преобразователь содержит входной трехфазный мостовой неуправляемый выпрямитель 1, к выходу которого подключен силовой вход высокочастотного управляемого инвертора 2, собранного по однофазной мостовой схеме. Высокочастотный управляемый инвертор 2 имеет силовой вход, два силовых выхода и управляющий вход. Параллельно между выходом входного трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя 1 и силовым входом высокочастотного управляемого инвертора 2 подключен сглаживающий конденсатор С 1. Высокочастотный управляемый инвертор 2 состоит из двух модулей 1 и 2, каждый из которых состоит из двух транзисторов. Между двумя модулями инвертора 1 и 2 параллельно установлен снабберный конденсатор С 2. К одному силовому выходу высокочастотного управляемого инвертора 2 подключен вход датчика тока 3, выход которого соединен с одним концом первичной обмотки высокочастотного трансформатора 4, а второй силовой выход соединен со вторым концом первичной обмотки высокочастотного трансформатора 4, который, в свою очередь, состоит из одной первичной обмотки и двух вторичных обмоток, выполненных со средней точкой. Две средние точки двух вторичных обмоток высокочастотного трансформатора 4 соединены вместе и, проходя через выходной датчик тока 6, являются минусовым выходом преобразователя для подключения на нагрузку. Каждый из четырех концов вторичных обмоток высокочастотного трансформатора 4 подключен ко входу выпрямителя 5. К выпрямителю 5 параллельно подключено два -фильтра 9, 10. Выход выпрямителя 5 является плюсовым выходом преобразователя для подключения на нагрузку. Плата управления 7 имеет три аналоговых входа, к которым подключены датчики тока 3, 6 и плюсовой и минусовой выходы преобразователя, цифровой вход-выход, к которому подключена плата индикации 8,а также управляющий выход, который подключен к управляющему входу высокочастотного управляемого инвертора 2. Выходной выпрямитель 5 выполнен в виде однополупе 5 86442012.10.30 риодного выпрямителя, собранного на диодах Шоттки, с установлеными выходными фильтрами 9, 10, собранными на печатных платах, в виде последовательно соединенных резисторов и конденсаторов. Преобразователь переменного тока в постоянный с системой управления выходными параметрами работает следующим образом. На входной трехфазный мостовой выпрямитель 1 поступает сетевое трехфазное напряжение промышленной частоты 50 Гц, на выходе которого получаем выпрямленное постоянное напряжение. Благодаря конденсатору С 1 это напряжение сглаживается, уменьшаются пульсации. Далее постоянное напряжение приходит на высокочастотный управляемый инвертор 2, состоящий из двух модулей 1 и 2, каждый из которых представляет два -транзистора, соединенных последовательно. Между двумя модулями высокочастотного управляемого инвертора установлен снабберный конденсатор С 2, который выполняет функцию подавления перенапряжений, возникающих на -транзисторах в результате коммутаций. Два модуля 1 и 2 подключены по однофазной мостовой схеме. В качестве -модулей 1 и 2 могут использоваться -модули производства ,или. Высокочастотный управляемый инвертор 2 по сигналам управления от платы управления 7 формирует меандр напряжения с высокой частотой с необходимой скважностью. Напряжение высокой частоты, проходя через датчик тока 3, подается на высокочастотный трансформатор 4, изготовленный на ферритовых сердечниках. В качестве сердечника высокочастотного трансформатора 4 могут использоваться сердечники производстватипа 67370, а в качестве датчика тока 3 используется высокоточный и быстродействующий датчик тока на основе эффекта Холла производства фирмы . Высокочастотный трансформатор 4 состоит из одной вторичной обмотки и двух вторичных обмоток со средней точкой. С вторичных обмоток пониженное и гальванически развязанное с промышленной сетью напряжение выпрямляется на выходном выпрямителе 5. Две средние точки высокочастотного трансформатора соединены между собой и подключены к выходу преобразователя (минусовой выход), проходя через датчик тока 6. В качестве выходного датчика тока 6 используется высокоточный и быстродействующий датчик тока на основе эффекта Холла производства фирмы . Выходной выпрямитель 5 выполнен в виде однополупериодного выпрямителя, собранного на диодах Шоттки. фильтры 9, 10 служат для защиты низковольтных диодов Шоттки от перенапряжений,возникающих при коммутации диодов. В качестве диодов выходного выпрямителя 5 могут использоваться диодные модули производстватипа 400045. Плата управления 7 и плата индикации 8 выполнена в виде цифрового микропроцессорного блока. Плата индикации 8 является средством общения между оператором и платой управления 7. С помощью нее оператор задает параметры для работы устройства и она, в свою очередь, отображает выходные параметры преобразователя. После получения от оператора команды старт плата индикации 8 формирует цифровой сигнал с заданными оператором параметрами на плату управления 7. Плата управления 7, получив сигнал от платы индикации 8, на основании обратных связей от двух датчиков тока 3, 6 и величины выходного напряжения формирует управляющие импульсы на транзисторы высокочастотного инвертора 2. Управление высокочастотным инвертором основано на широтноимпульсной модуляции. Автоматическое регулирование выходных параметров происходит следующим образом если действительное значение выходного тока по показаниям выходного датчика тока меньше, чем заданное оператором, то система управления уменьшает скважность импульсов инвертора. В противном случае, если по показаниям выходного датчика выходной ток больше заданного, то скважность увеличивается. То есть система управления при помощи обратной связи уменьшает рассогласование между заданным и реальными значениями контролируемых параметров - выходного тока или напряжения. 6 86442012.10.30 Автоматическая стабилизация выходных параметров осуществляется следующим образом система управления, реализованная на плате управления 7, отслеживает изменения выходных параметров, связанные с внешними воздействующими величинами, и устраняет возникающие рассогласования с заданными значениями. При токовой перегрузке происходит перезапуск системы управления преобразователь автоматически переключается по следующей цепочке режимов Останов - Запуск - Работа. Данный преобразователь позволяет в автоматическом режиме стабилизировать параметры выходного тока или напряжения с погрешностью не более 1 . А также преобразователь выдерживает короткое замыкание в цепях нагрузки, т.к. плата управления 7 на основании быстродействующих датчиков тока 3, 6 отключает или уменьшает скважность импульсов управления высокочастотного управляемого инвертора 2 раньше, чем ток,проходящий через полупроводниковые элементы высокочастотного управляемого инвертора 2 или выпрямителя 5, достигнет предельно допустимого значения, что исключает выход их из строя, а значит, повышает надежность и увеличивает срок службы. Изготовлен опытный образец заявляемого преобразователя переменного тока в постоянный с системой управления выходными параметрами. Испытания показали его надежность в рабочем режиме. Под нагрузкой в режиме автоматической стабилизации работает с погрешностью менее 1 по отношению к заданной величине. По результатам испытаний предполагается наладить серийный выпуск преобразователей переменного тока в постоянный с системой управления выходными параметрами по заявкам предприятий Республики Беларусь в 2012 г. Проведенные маркетинговые исследования позволяют полагать, что разрабатываемый преобразователь переменного тока в постоянный с системой управления выходными параметрами относится к импортозамещающему оборудованию и имеет определенный экспортный потенциал на рынке аналогичной продукции. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7