Способ формирования квазисинусоидального напряжения и устройство для его осуществления

Патент 1001435

Авторы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОП ИСАНИ

ИЗОБРЕТЕН И

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз CoB6Tc_#_Nx

Соцмалистичесиик

Ресттубттик

1Ц1001435 (61) Дополнительное к авт. свид-ву

5I)M. Кл.

Н 02 Р 13/18 !

fH 02 М 7/537 (22) Заявлено 14.03. 80 (2l ) 2893043/24с присоединением заявки РЙ

Гесудерстеенный кемнтет (23) Приоритет

Опубликовано 28.02. 83. Бюллетень

Ilo лелем изобретений н открытий (53) УДК 621. 314, ° 57(088.8) Дата опубликования описания 28.02 т

Г.С. Мыцык и A. В. Чесноков l .

- ч,;;:. -1 (72) Авторы изобретения

-- / г

Московский ордена Ленина и ордена Октябрьско энергетический институт ии (7!) Заявитель. {54) СПОСОб ФОРМИРОВАНИЯ КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНОГО

НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике и может быть использовано при построении как централизованных вторичных источников питания (ВИП) с синусоидальным выходным напряжением, так и децентрализованных

ВИП применяемых в частотно управляемых электроприводах во всех случаях, когда требуются согласование уровней напряжений питания и потребителя, улучшенные качество выходного напряжения (тока) и массогабаритные показатели ВИП;.

Известен целый ряд способов формирования квазисинусоидального выход.ного напряжения путем амплитудно-импульсной (АИМ) или широтно-импульсной (ШИМ) его модуляции (1)„

Однако реализация, например, последнего способа, основанная на использовании вертикального принципа

4 управления, требует формирования за дающих сигналов аналогового типа (с

2 частотой, равной выходной частоте

ВИП). Форма этих сигналов вЂ” (прямоугольная) треугольная, трапецеидальная или синусоидальная, определяет вид ШИМ. Недостатком такого пути синтеза ВИП являются невозможность достаточно просто и удовлетворительно решить задачу согласования уровней напряжения питания и потребителя, особенно при низких выходных частотах, характерных для частотного пуска двигателей. Блок усиления и развязки управляющих сигналов также, как и силовая часть ВИП в этом случае имеют невысокие технико-энергетические показатели, а информационная часть системы управления имеет невысокую помехоустойчивость и точность.

Известен способ получения квази20 синусоидального напряжения с двухполярной ШИМ по трапецеидальному за" кону, который основан на АИМ второго рода (с глубиной модуляции, равной 1) высокочастотного напряжения

3- 10014 одной частоты f напряжением другой частоты М, причем скважность модулирующе го напряжения задает ся, равной трем P2), Недостатком данного способа является сравнительная сложность аппаратурной его реализации, которая обусловлена необходимостью формирования трехфазного высокочастотного напряжения даже в вариантах преобра- 10 зователя с однофаэным выходом. Кроме того, модулятор устройств, реализующих данный способ, обладает сравнительно невысокими массогабаритными показателями из-эа наличия трех- 15 фазного трансформатора и плохого использования его вторичных обмоток, так как они нагружаются лишь 1/3 периода частоты модуляции f> (или выходной частоты), что приводит к ухуд- go шенным массогабаритным показателям устройства в целом.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения квазисинусоидального напряжения с ШИН по треугольному закону, заключаоцийся в инвертировании постоянного напряжения в высокочастотное переменное с частотой f< Путем последующей амплитудно-импульсной модуляции второЗО го рода (с глубиной модуляции, равной двум) этого напряжения, осуществляемой при помощи модулятора на ключах с двухсторонней проводимостью, которые управляются сформированной последовательностью импульсов с ча- .

35 стотой f (обеспечивающих попеременно открытое, длительностью F состояние этих ключей) на выходе преобразователя формируют напряжение с ШИН

40 по треугольному закону. Частота основной гармони ки выходного напряжения при этом равняется F-=f -f t 3j, М

К недостаткам известного способа формирования квазисинусоидального напряжения следует отнести невысокое

45 качество выходного напряжения, а также низкие технико-экономические показатели реализующей его аппаратуры.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь, который содержит высокочастотный инвертор, выходом через согласующий трансформатор, подключенный к силовому входу амплитудно-импульсного модулятора, выполненного по схеме однофазного инвертора на ключах с двухсторонней проводимостью, причем управляющие входы ключей высокочастотного инвертора и модулятора связаны через два делителя частоты с разными коэффициентами деления с задающим генератором.

Недостатки. известного устройства обусловлены несовершенством реализуемого им способа и характеризуются ухудшенными массогабаритными показателями из-за увеличенной установленной мощности его элементов, что определяется невысоким содержанием основнсй гармоники в спектре выходного напряжения.

Цель изобретения вЂ” улучшение качества квазисинусоидального напряжения за счет уменьшения его коэффициента гармоник, увеличения содержания основной гармоники и улучшение технико"экономических показателей реализующей его аппаратуры.

Поставленная цель достигается тем, что в способ формирования квазисинусоидального напряжения частоты F путем амплитудно-импульсной модуляции

2-го рода с глубиной модуляции, равной двум, переменного напряжения чатоты f< си гналом прямоугольной форчастоты f на крайних интервалах длительностью 1Г/12 (1+и) периода частоты F, расположенных на полупериодах кваэисинусоидального напряжения симметрично по обе стороны относительно точек перехода его основной гармоники через ноль, значение частоты f задают равным f =f - вЂ” F, а

6 м М " 1 вЂ” H на средних интервалах длительностью

7 /6 (5-n) периода частоты F, расположенных на каждом полупериоде частоты

F между указанными крайними интервалами, значение частоты f1 èэменяют и задают равным f где и вЂ” любое дробное или целое число, выбранное из неравенства 0 с п с 5.

При формировании однофазного квазисинусоидального напряжения число и задают, равным 2,87.

При формировании трехфазной системы квазисинусоидальных напряжений, предназначенной для питания трехфазной нагрузки, соединенной в звезду без нулевого провода, число и задают, равным 1,33. устройство, содержащее высокочастотный инвертор, выходом через согласующий трансформатор подключенный к силовому входу амплитудно-импульсного модулятора, выполненного.по схеме однофаэного инвертора на полностью управляемых ключах с двухсторон5

10014

55 ней проводимостью, причем управляющие входы ключей высокочастотного инвертора и модулятора связаны coolветственно через первый и второй де" лители частоты с выходом задающего генератора, снабжено последовательно соединенными переключателями частоты следования импульсов с выходов первого и второго упомянутых делителей частоты, распределителем импульсов и третьим делителем частоты, вход которого подключен к выходу задающего генератора, а переключаемый вывод переключателя соединен с управляющими входами ключей модулятора через дополнительно введенный триггер со счетным входом

Соотношение f> /f> выбирают в зависимости от требований к качеству выходного напряжения, причем тем ближе к единице, чем выше эти требования.

На фи г. 1 предста влены формы выходных напряжений U, сформированHblx по известным способам ШИМ: а) по треугольному закону (2), б) по трапецеидальному закону (3), в преобразователях с однофазным выходом, г/ и д) соответственно то же, но в преобразователях с трехфазным выходом при соединении трехфаэной нагрузки в звезду, в1, е) формы напряжений UBblX, ñôîð мированных по предлагаемому способу, соответственно в преобразователях с однофаэным и трехфаэным выходами при различных и, на фиг, 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип предлагаемого способа формирования квазисинусоидального напряжения при п=1, на которых обозначено: U вЂ” выть сокочастотное напряжение частоты (период Т ); Uy - вид модулирующего сигнала частоты f< (период Т4 ); 0 „; вид сигнала с АИМ 2-го рода с глубйной модуляции, равной двум по периодическому, линейно-изменяющемуся закону на интервале длительностью 1 /б s обе стороны от точек перехода 0 и Г(основной гармоники показана тонкой линией) выходного напряжения U " x- частоты F (с периоИ дом T); U X вид выпрямленного в соответствйи с полярностью

U8 „сигнала частоты f на интервале длйтельностью 2Т/3 на каждом полупериоде U»>, О ихОЬых UWx, Unix вид выИ) t "i " ) ходного напряжения трехфазного варианта преобразователя, на фиг. 3блок-схема однофаэного преобраэова35

6 телят позволяющего реализовать предлагаемый способ," на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие принцип. его работы.

При реализации предлагаемого способа постоянное напряжение питания инвертируют в высокочастотное пере" менное напряжение Uy с частотой

На фиг. 2 выбран случай с и 1. При данном и на интервалах длительностью

/ /6, расположенных полюбе стороны относительно точек перехода основной гармоники 0 через ноль осуществля-.

1) ют амплитудно импульсную модуляцию второго рода высокочастотного напря" жения Uy, напряжением Ug другой ча1 м стоты, с глубиной модуляции, равной двум, по периодическому, линейно-изменяющемуся закону. В общем случае, такую модуляцию осуществляют на интервалах длительностью

При этом, на данных интервалах формируют напряжение с ШИМ (а точнеес двухполярной ШИМ-ДШИМ) полинейному закону (пунктиром показана средняя линия этого напряжения, фиг. 2). На всей остальной части периода упомянутую амплитудно-импульсную модуляцию второго рода (с той же глубиной модуляции)высокочастотного напряжения ча" стоты О „осуществляют той же частотой

f формируя неизменное по знаку выпрямленное напряжение в соответствии с полярностью полупериодов выходного напряжения.

Устройство (фиг. 3) содержит задающий генератор 1, три делителя 2-4 частоты, узел 5 формирования управляющих сигналов инвертором, собственно инвертор 6, к выходу которого подключен трансформатор 7 и модулятор 8, выполненный на ключах 9 и 10 с двухсторонней проводимостью. Выходы де лителей частоты 2 и 3 через последовательно соединенные переключатель

11 частоты следования управляющих импульсов и триггер 12 связаны. с управляющими входами ключей 9 и 10 модулятора 8. Распределитель.13 импульсов счетным входом подключен к выходу третьего делителя 4 частоты, а выходом вЂ” к управляющему входу переключателя 11, устройство работает следующим образом.

0 01 +Uú0„3

7 10014

Сигнал U< (фиг. 4) с выхода задающего генератора 1 поступает на входы трех делителей 2.-4 частоты, первые два из которых обеспечивают формиро" вание последовательностей импульсов частот 2(и 2f (U и О., фиг. 4 .

Эти частоты соответствуют f =f -,вЂ” F

И 4 -й а третий делитель 4, обеспечивает формирование последовательности импульсов U4, период частоты которых 10 равен Ч » Переключатель 11 частоты следования импульсов обеспечивает поступление на счетный вход триГгера 12 последовательностей импульсов или частоты 2f или частоты 2f â соответствии с разрешающим сигналом U с выхода распределителя 13 импульсов. При этом единица на выходе распределителя 13 импульсов соответствует прохождению последовательности О, а ноль- 20 прохождению U

Переключатель 11 частоты следования управляющих импульсов, выполняет следующую логическую операцию:

Сигнал О,„представляет собой последовательйость импульсов переменной частоты. Переключатель 11 может быть выполнен либо ввиде двух транзисторов, на управляющие входы которых поступают сигналы О, и U либо в ин4Ъ тегральном исполнении на микросхеме 2-2И-ИЛИ, После прохождения по3S следовательностей импульсов U ::и О„

И соответственно через узел 5 формиро-. вания управляющих сигналов и триггер

12 последовательности импульсов U и О поступают на управляющие входы соответственно ключей инвертора 6 и модулятора 8. На выходе преобразователя формируют выходное напряжение

U с ШИМ по трапецеидальному закону. .Отметим, что в общем случае число и может принимать все возможные значения в диапазоне Осп 5, в том числе и дробные. При этом изменяются значения коэффициента гармоник выходного напряжения преобразовате ля, а также относительное содержа-. ние его основной гармоники. Например, в однофазном варианте преобразователя, оптимальным с точки зрения коэффициента гармоник (Кг), является случай с n = 2,о/ (что соответствует длительности интервала, на котором осуществляют АИМ, равной примерно

62 эл.град.). Основная гармоника при этом составяяет О, ь,„1,039 О где U „- максимальное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора 7 модулятора 8. Предельно достижимое значение коэффициента гармоник тока нагрузки при этом лежит в области значений меньших 0,05 в зависимости от cos4 нагрузки по сравнению с предельно достижимым значением Кг в прототипе, равным 0,12.

В трехфазных вариантах преобразователей, реализующих предложенный способ формирования, оптимальными с точки зрения Кг являются следующие значения n=1,33 и n=3,93. Основная гармоника при этом составляет соответственно О,„=1,196 U „и О

= 0,948 О „,„,а значение коэффициента " гармоник тока не превышает 0,035 в первом и 0,02 во втором случае. Предпочтительным является случай с п=1,33 так как числа n) 3 не оптимальны изза уменьшенного значения U в спекBbiX< тле Обык

Наиболее простыми являются случаи с целократными значениями и 1-3.

При больших и значение Кг в трехфазных вариантах преобразователей изменяется незначительно, а в однофазныхдаже несколько увеличивается. Поэтому для однофазного варианта преобразователя целесообразно значение

n=3 а для трехфазного - n=1. Случай с n=2 занимает промежуточное значение.

Устройство для реализации способа формирования квазисинусоидального напряжения обладает также более высокими массогабаритными покааателями. Например, по сравнению с прототипом (3 ), трансформатор 7 предлагаемого устройства при И=1 имеет в

2,59 раза, а полупроводниковые элементы схемы - 2,24 раза меньшую установленную мощность, Предлагаемый способ применяется в централизованных источниках питания с выходом на переменном токе и в частотно-управляемых электроприводах.

При этом регулирование выходного напряжения целесообразно осуществлять в инверторе 6, а изменение выходной частоты осуществлять за счет плавного изменения частоты 1 в небольшом диапазоне, а также за счет дискретного изменения соотношения частот м

100143

9 формула изобретения

1. Споеоб формирования квазисинусоидального напряжения частоты F путем амплитудно-импульсной модуляции

2-ro рода с глубиной модуляции, равной двум, переменного напряжения частоты f сигналом прямоугольной формы частоты т, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с цепью улучшения ка- 10 чества квазисинусоидального напряжения за счет уменьшения его коэффициента гармоник, увеличения содержания основной гармоники и улучшения технико-экономических показателей реа- 1S лизующей его аппаратуры на крайних интервалах длительностью 7 /12(1+и) периода частоты F, расположенных на полупериодах квазисинусоидального напряжения симметрично по обе стороны 20 относительно точек перехода его основной гармоники через ноль, значение частоты f+ задают равным f г

М о

Р, а на средних интер1+и валах длительностью t6>

f где и вЂ” любое дробное или целое число, выбранное из неравенства 0<пс5.

2. Способпоп. 1, отли чаю шийся тем, что, с целью обеспечения минимального значения коэффициента гармоник при формировании однофаэного квазисияусоидального напряжения, значение числа и зада" ют равным 2,87.

3. Способ по и. 1, о т и и ч аю шийся тем, что, с целью получения минимального коэффициента гар5 10 моник при формировании трехфазной системы квазисинусоидальных напря.жений, используемой для питания трехфазной нагрузки, соединенной в звезду без нулевого провода, значение числа и задают равным 1,33.

4. устройство для осуществления способа по пп. 1 и 3, содержащее высокочастотный инвертор, выходом через согласующий трансформатор подключенный к силовому входу амплитудно-импульсного модулятора, выполненного по схеме однофазного инвертора на полностью управляемых ключах. с двухсторонней проводимостью, причем управляющие входы ключей высокочастотного инвертора и модулятора связаны соответственно через первый и второй делители частоты с выходом задающего генератора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено последовательно соединенными переключателем частоты следования импульсов с выходов первого и второго упомянутых делителей частоты, распределителем импульсов и третьим делителем частоты, вход ко-! торого подключен к выходу задающего генератора, а переключаемый вывод переключателя соединен с управляющими входами ключей модулятора через дополнительно введенный триггер со счетным входом. источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Сандлер А,С. и Гусяцкий Ю.М.

Тиристорные инверторы с широтноимпульсной модуляцией, И., "Энергия", 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

N 660189, кл. Н 02 Р 13/18, 1976.

3. Авторское свидетельство СССР

И 546072, кл. Н 02 P 13/18, 1973.

1001435

Nr/юи =4/

1001435

far

ЬУт

Состa ви тел ь Е. Дороши н

Редактор Н.Ковалева Техред M. Костик Корр ектор О. Билак

Заказ 1442/73 Тираж 685 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5 филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4