Преобразователь постоянного напряжения в ступенчатое переменное

Преобразователь постоянного напряжения в ступенчатое переменное

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О П И С А Н,Я--Е.

ИЗОБРЕТЕНИЯ 688970

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 01.11.76 (21) 2415800/24-07 (51) М. Кл.

H 02М 7/48 с присоединением заявки ¹

Государственный комитет (23) Приоритет

Опубликовано 30.09.79. Бюллетень № 36

Дата опубликования описания 30.09.79 (53) УДК 621.314.57 (088.8) по делам иэобретений и открытий (72) Авторы изобретения

Г. С. Мыцык, Ю. П. Иванов и В. П. Пикулин

Московский ордена Ленина энергетический институт (71) Заявитель (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ в N-СТУПЕНЧАТОЕ ПЕРЕМЕННОЕ

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для построения вторичных источников питания устройств электроавтоматики и электроприводов переменного тока малой мощности (до единиц кВА), работающих как на переменную, так и на постоянную нагрузку, в тех случаях, когда требуется согласование уровней напряжений питающей сети и потребителя, а также повы- ip шенное качество преобразованной электрической энергии и приемлемые массо-габаритные показатели источника.

Регулирование частоты и напряжения нагрузки, а также повышение качества энер- 1-. гии на выходе статических преобразователей реализуется путем применения различных видов модуляций. Наибольшее распространение получили широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и амплитудно-импульсная модуляция (АИМ). Эти методы формирования напряжения основаны или на изменении (модуляции) длительности отдельных импульсов равной амплитуды (ШИМ), или на изменении (модуляции) амплитуды и длительности ступеней (АИМ) .

Перспективным способом улучшения гармонического состава выходного напряжения инверторов является АИМ. АИМ для обеспечения одинакового с ШИМ качества пре- 30 образованной электрической энергии реализует с меньшими коммутационными потерями за счет меньшего числа тактовых интсрвалов и имеет более простую систему управления.

Инверторы с АИМ по схемному признаку можно разделить на три класса. К первому классу относятся инверторы, в которых ступенчатое напряжение формируется путем поочередного подключения с помощью ключей обмоток трансформатора, работающего на выходной частоте (1).

Ко второму классу относятся инверторы, формирующие ступенчатое напряжение за счет использования нескольких источников питания с различными уровнями напряжения питания (2).

К третьему классу относятся схемы инверторов с промежуточным звеном высокой частоты (3).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является преобразователь, относящийся к третьему классу.

Этот преобразователь содержит инвертор с высокочастотным согласующим трансформатором, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом и отпайками, расположенными симметрично относительно среднего вывода, коммутатор на управляемых ключах, поочередно переключающий

688970 обмотки на вторичной стороне трансформатора, и блок управления, включающий в себя задающий генератор, фазосдвигающий узел и многоканальный распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора. При использовании этого преобразователя можно повысить частоту напряжения на первичной обмотке трансформатора и, следовательно, улучшить его массо-габаритные показатели. Рабочая частота трансформатора в известном решении превышает частоту напряжения в нагрузке в 2N раз (где N — число ступеней на четверти периода выходного напряжения преобразователя), причем, увеличивая число вторичных обмоток с ключами, можно получить напряжение с любым числом ступеней и, следовательно, получить сколь угодно малый коэффициент гармоник и улучшить при этом массо-габаритные показатели трансформатора. К недостаткам таких преобразователей следует отнести сложность его силовой части (число ключей коммутатора равно 2N).

Целью изобретения является упрощение известного преобразователя при получении выходного напряжения с малым коэффициентом гармоник.

Для достижения поставленной цели коммутатор выполнен на Л управляемых клюО чах, а многоканальный распределитель им-, пульсов выполнен (2N — 1) -канальным, каждый его i-ый канал из числа (У вЂ” 1) совместно с (2N — i) -ым каналом связан с управляющим входом соответствующего клю- З; ча коммутатора через логический элемент

ИЛИ, а число витков i-го выходного вывода трансформатора с числом витков его

Л -ro выходного вывода связано соотношением 40

Wi . (2i — 1) =sin

1 д 2 (21V — 1) где Ж вЂ” число ступеней на четверти периода выходного напряжения преобразователя;

i = 1, 2,..., N — номер выходного вывода трансформатора при отсчете от

° среднего вывода его вторичной обмотки попеременно в одну и дру- 00 гую от него сторону.

На фиг. 1 дана принципиальная схема предлагаемого преобразователя; на фиг.

1, б — блок управления этим преобразователем; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя; на фиг. 3 — зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения преобразователя от числа ступеней (N) на четверти его периода. 60

Предлагаемый преобразователь содержит промежуточное высокочастотное инвертирующее звено, выполненное в виде мостового инвертора 1 на ключах 2 — 5. Инвертор 1 нагружен на первичную обмотку 6 согласу- г ющсго трансформатора 7. Вторичная обмотка 8 трансформатора выполнена со средним выводом 9 и отпайками 10, 11, образующими вместе с двумя концами 12, 13 этой обмотки выходные выводы трансформатора.

Выходные выводы трансформатора 7 соединены с силовыми концами ключей 14 — 17 коммутатора 18. Выходные выводы преобразователя образованы средним выводом 9 вторичной обмотки 8 трансформатора и точкой объединения других силовых концов управляемых ключей коммутатора 18.

Блок управления 19 содержит задающий генератор 20, подключенный к фазосдвигающему устройству 21 и многоканальному распределителю импульсов 22. Распределитель 22 выполнен (2N — 1) -канальным, причем каждый его 1-ый канал из числа (Л вЂ” 1) совместно с (2У вЂ” i)-ым каналом связан с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логические элементы ИЛИ. Управляющие входы ключей

2 — 5 высокочастотного инвертора 1 также связаны с соответствующими выводами блока управления через буферные усилители 23.

Принцип формирования ступенчатого выходного напряжения с нерегулируемыми и регулируемыми по ширине ступенями поясняется соответственно на фиг. 2, а и 2, б, где

ТИ вЂ” тактовые импульсы на выходе генератора импульсов Uq — Ug — сигналы управления, подаваемые на управляющие входы ключей 2 — 5 инвертора 1; U6 — форма напряжения на первичной обмотке 6 трансформатора 7; U„„,,- — форма выходного напряжения преобразователя; U>4 — U<> — сигналы управления, подаваемые на управляющие входы ключей 14 — 17 коммутатора 18.

При подключении питания к блоку управления и силовой части преобразователя замыкаются ключи 2, 5 инвертора 1, На первичной обмотке 6 согласующего вь сокочастотного трансформатора 7 формируется положительный импульс напряжения Uo.

Полярность обмоток трансформатора такова, что при замыкании ключа 16 коммутатора 18 на нагрузке формируется первая ступень положительной полуволны выходного напряжения. При замыкании ключей

3, 4 инвертора 1, на обмотке 6 формируется отрицательный импульс напряжения U .

Замыканием ключа 15 формируют вторую ступень выходного напряжения. Дальнейшее формирование ступеней происходит аналогично в соответствии с временными диаграммами, представленными на фиг. 2.

Регулирование длительности импульсов выходного напряжения может осуществляться в каждом из силовых звеньев преобразователя: в инверторе, в трансформаторе или в коммутаторе. С точки зрения упрощения системы управления, рациональней регулировать напряжение в инверторе, 688970

Простейший алгоритм управления ключами инвертора, обеспечивающий регулирование длительности импульсов выходного напря>кения, поясняется временными диаграммами на фиг. 2, б, где Uq, Uq — прямой и инверсный сигналы управления (эти сигналы с выхода задающего генератора 20 подаются на входы ключей 5, 4 высокочастотного пнвсртора 1); U>, U> — сигналы управления, сдвинутыс на величину f относительно сигналов Uq, U4, формируемые на выходе фазосдвигающего устройства 21 и подаваемые на входы ключей 2, 3.

АИМ может осуществляться, во-первых, с разным числом ступеней N на четверти периода выходного напряжения преобразователя и, во-вторых, с четным или нечетным числом тактовых интервалов п на полупериоде выходного напряжения.

В известном решении, принятом за прототип, ступенчатое напряжение формируется с четньвт и, В результате количество силовых ключей коммутатора равно удвоенному числу ступеней на четверти периода выходного напряжения.

В предлагаемом преобразователе выходное напряжение формируется с нечетным числом п. В этом случае преобразователь упрощается за счет уменьшения числа силовых элементов коммутатора (Л управляемых ключей вместо 2N у прототипа).

При равном числе ступеней, например

N=4. известное решение имеет несколько лучший коэффициент гармоник (К„=0,117) по сравнению с предлагаемым преобразователем (К„=0,124), но при этом его коммутатор содержит вдвое большее число силовых ключей. При рассмотрении вариантов с более близким соотношением числа ключей становится очевидным, что предлагаемый преобразователь при меньшем числе ключей коммутатора обеспечивает лучшее качество преобразованной электрической энергии (прп .Ч=З) и числе ключей у прототипа, равном 6, имеем К,=0,15. В то же время в предлагаемом преобразователе при N=4 и числе ключей, равном 4, коэффициент гармоник равен 0,124).

Предложенный преобразователь может применяться во всех тех случаях, где требуется преобразование постоянного напряжения одного уровня в однофазное напряжение другого уровня заданной фиксиров анной ч астоты.

М-фазный преобразователь постоянного напряжения может быть построен по модульному принципу из m вышеописанных преобразователей или для упрощения путем подключения к выходным выводам общего согласующего трансформатора m коммутаторов с последующей синхронизацией их работы.

Целесообразное число ступеней N выбирается в каждом случае применения в за10

45 висимостп от требования к нскаженшо выходного напряжения.

Зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения от числа ступеней, позволяющая осуществить выбор числа N, представлена на фиг. 3.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в N-ступенчатое переменное с промежуточным звеном высокой частоты, содержащий однофазный инвертор, выход которого соединен с первичной обмоткой согласующего высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом и с отпайкамп, образующими вместе с двумя концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, числом кратные числу ступеней переменного напряжения, коммутатор на управляемых ключах, числом равных числу выходных выводов трансформатора, и блок управления, включающий в себя задающий генератор, фазосдвигающий узел и многоканальный распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора, выходные выводы преобразователя образованы средним выводом вторичной обмотки трансформатора и точкой объединения одних силовых концов управляемых ключей коммутатора, а другие силовые концы этих ключей соединены с выходными выводами трансформатора, о т л и ч а ющи йс я тем, что, с целью упрощения конструкции при получении выходного напря>кения с малым коэффициентом гармоник, вторичная обмотка содержит N выходных выводов, а распределитель импульсов выполнен (2Х вЂ” 1) -канальным, причем каждый его

i-ый канал из числа (N — 1) совместно с (2М вЂ” i)-ым каналом связан с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логический элемент ИЛИ, а число W„витков l-го выходного вывода трансформатора связано с числом Wi- витков его

N-го выходного вывода соотношением

W8 . (2! — 1);.

11 у 2 (2A — 1) где N — число ступеней напряжения на четверти периода выходного напряжения преобразователя;

i = 1, 2, ..., N — номер выходного вывода трансформатора при отсчете от среднего вывода его вторичной обмотки попеременно в одну и другую от него сторону.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 280629, кл. Н 02М 7/48, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

М 414693, кл. Н 02М 5/48, 1971.

688970

1б

17 фиа,1

3. А. П. Мельничук и др. Об уменьшении несо-габаритных показателей ВИП.-Сб. Повышение эффективности устройств преобразовательной техники. Ч. 4, Киев, «Наукова думка», 1972, с. 127 — 136, 688979 ти ти

Ьых.

Юбl

И1 а) 1 КГ(с(/ т !

О,2

1 б

2 3 "/- 5 б 7 8

Фиг 5

Составитель Ю. Андреев

Техред Н. Строганова

Корректор Е. Осипова

Редактор В. Левятов

Заказ 2124/17 Изд. № 556 Тираж 866 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

1/1 (/(7

1/г

Y U