Способ регулирования выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения в переменное с амплитудно-импульсной модуляцией

Способ регулирования выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения в переменное с амплитудно-импульсной модуляцией

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ттвтгън :, т, ... . .,к „я

О П И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Соввтеких

Сециалистиивеюа

Республик (i )720643

К АВТОРСКОМУ СВИДЙТВЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 02.08.77 (21) 2489511/24-07 (51) М. Кл с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

H 02 M 7/537

Гасударственный кюмктеФ

СССР юю делам изююретеннй и юткрыткй

Опубликовано 05.03.80. Бюллетень № 9 (53) УДК 621.314..57 (088,8) Дата опубликования описания 15.03.80 (72) Авторы изобретения

Г. С. Мыцык и IO. П. Иванов

Московский ордена Ленина энергетический институт (71) Заявитель (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В ПЕРЕМЕННОЕ С АМПЛИТУДНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

I

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, повышенное качество преобразованной электрической энергий и улучшенные массогабаритные показатели вторичного источника, а также регулирование выходного напряжения преобразователя или его стабилизация при изменении напряжения питающей сети.

Выполнение основных выше перечисленных требований обеспечивается в автономных инверторах применением различных видов модуляции напряжения. 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

2 (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 преобразований электрической энергии реализуется с меньшими коммутационными потерями за счет меньшего числа тактовых интервалов.

Регулирование (стабилизация) величины выходного напряжения интервалов с АИМ может быть обеспечено различными методами в зависимости от структуры преобра«фВ зователя. Монро условно выделить два основных прин«ц«йа реализации структур: с суммированием выходных напряжений нескольких преобразующих каналов в узле и с суммированием в общем контуре. При первом принципе построения преобразователь содержит один однофазный инвертор с трансформаторным выходом и дополнительные ключи, формирующие напряжение с АИМ за счет переключения отпаек соответствующих обмоток трансформатора, первичной или вторичной (1). мянутых прямоугольных импульсах осуществляют на интервалах квантования, соответствующих меньшим уровням лишь выходного напряжения, а на остальных интервалах квантования формируют меньшие по уровню, чем основные, дополнитеЛьные импульсы, длительность которых равна длительности регулировочного интервала.

Другое отличие состоит в том, что при формировании пауз в упомянутых прямоугольных импульсах, часть паузы вводят в начале, а часть — в конце интервала квантования.

Кроме того, с целью упрощения реализации предлагаемого способа, паузы в упомянутых прямоугольных импульсах вводят или только в начале или только в конце интервала квантования.

В зависимости от требований к глубине регулирования выходного напряжения формирование пауз в прямоугольных импульсах осуществляют не только на интервалах квантования, соответствующих наименьшим уровням выходного напряжения, но также и на интервалах квантования с уровнем, ближайшими к наименьшему уровню выходного напряжения, Такой способ регулирования позволяет уменьшить искажения выходного напряжения преобразователя за счет уменьшения числа (N) интервалов квантования, на которых формируют паузы с нулевым потенциалом, до двух, трех или более, а на остальных интервалах квантования формируют перепады напряжений так, что регулировоч- ному интервалу соответствует меньший уровень напряжения, т. е. осуществляют частичное широтно-импульсное регулирование выходного напряжения преобразователя.

На фиг. 1 показана принципиальная схема силовой части преобразователя, реализующего предлагаемый способ и блок-схема устройства для управления преобразователем; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя по предложенному способу при N = 2; на фиг. 3 — алгоритмы управления и выходное напряжение преобразователя при N = 3, сформированные по предложенному способу; на фиг. 4 — зависимость коэффициента гармоиик выходного напряжения преобразователя, действующего значения Ue. выходного напряжения и амплитуды его первой гармоники Up ox величины регулировочного интервала для известного (4, а) и предлагаемого способа (4, б) при N = 2, Преобразователь содержит однофазный мостовой инвертор 1 с ключами 2 — 5, образующими две его стойки. Инвертор 1 нагружен на первичную обмотку 6 согласующего трансформатора 7. Его вторичная обмотка 8 одной из своих отпаек 9 непосредственно, а другими отпайками 10 — 16 через

720643

При втором принципе построения преобразователь содержит несколько однофазных инверторов с одинаковыми алгоритмами управления, но сдвинутыми по фазе в каждом инверторе относительно соседних инверторов, или с разными (но сфазированными по основной гармонике) алгоритмами, причем каждый инвертор нагружен на трансформатор, выходные обмотки которых соединены последовательно. Структуры преобразователей, реализующие первый принцип построения с переключением отпаек на вторичной стороне трансформатора, характе-, ризуются повышенной частотой работы согласующего трансформатора, что позволяет получить хорошие массогабаритные показатели преобразователя в целом и поэтому им отдается предпочтение.

Регулирование (стабилизация) выходного напряжения преобразователей, построенных по (первому) принципу с суммированием в узле, может быть осуществлено по способу, описанному в (2).

Известный способ регулирования осуществляют путем формирования прямоугольных разнополярных импульсов и преобра - -" " зования их в разные уровни выходного на25 пряжения преобразователя, симметричные на первой и второй четверти периода этого напряжейия. Эти прямоугольные импульсы формируют с частотой, кратной частоте квантования уровней выходного напряжения, и с паузой на каждом интервале квантова- зе ния, равной регулировочному интервалу выходного напряжения, т. е. осуществляют

100 /р-ное широтно-импульсное регулирование напряжения.

К недостаткам известного способа, когда паузу с нулевым потенциалом формируют в пределах каждого интервала квантования выходного напряжения, можно отнести невысокое качество выходного напряжения преобразователя при его регулировании или стабилизации (например, при изменении 4В напряжения питающей сети в пределах +-157,), Целью изобретения является уменьшение искажений выходного напряжения преобразователя в заданном диапазоне регулирования (стабилизации).

4$

Для достижения поставленной цели используют известный способ, который осуществляется путем формирования прямоугольных разнополярных импульсов и преобразования их в разные уровни выходного

50 напряжения преобразователя, симметрично расположенных относительно середины полупериода этого напряжения. Упомянутые прямоугольные импульсы формируют с частотой, кратной частоте квантования уровней выходного напряжения, и с паузой, равной регулировочному интервалу выходного напряжения. В отличие от известного при предлагаемом способе формирование пауз в упо720643

5 ключи 17 — 23 коммутатора 24 соединены с выходными выводами преобразователя.

Принцип формирования управляющих сигналов ключей однофазного инвертора и коммутатора при формировании кривых выходного напряжения по предлагаемому способу поясняется временными диаграммами на фиг. 2, 3, где Ua...U — сигналы управления, подаваемые на входы ключей однофазного инвертора; î

U — форма напряжения на первичной обмотке трансформатора;

U — форма выходного напряжен и я п рео бр а зов ателя;

Ui>..ËÀ, — сигналы управления, подаваемые на управляющие входы ключей коммутатора.

Исходя из требований к качеству выходного напряжения для иллюстрации, выберем число интервалов квантования на полупери20 оде выходного напряжения равным, например, семи (см. фиг. 2, в). Ранее, по известному способу, регулировацие (стабилизация) выходного напряжения осуществлялось путем формирования прямоугольных импульсов с частотой, кратной частоте квантования уровней выходного напряжения преобразователя и с паузой на каждом интервале квантования, равной регулировочному интервалу выходного напряжения, т. е. осуществлялось 100 /р-ное широтно-импульсное регулирование напряжения на каждом интервале квантования. С целью уменьшения искажений выходного напряжения в заданном диапазоне регулирования (стабилизации), на первичной обмотке 6 трансформатора 7 формируют прямоугольные импульсы U», (см. фиг. 2, б) с частотой, кратной частоте квантования уровней выходного напряжения U преобразователя, и паузами t (,() (см. фиг. 2, в) с нулевым потенциалом лишь на тех интервалах квантования, на которых ао к выходным выводам преобразователя подводят наименьший уровень выходного напряжения т. е. на интервалах t — 1„и 1 — т . Ha интервалах t> — t ..... t.-, — ta формируют двухступенчатые импульсы, у которых длительность нижней ступени равна длительности регулировочного интервала „, а уровни первой, второй и т. д. упомянутых нижних ступеней на первой четверти периода выходного напряжения, т. е. на интервалах ti—

t ...., t> — t4, равны соответственно первому, второму и т. д. его уровням, на второй же четверти периода выходного напряжения, т. е. на интервалах t4 — t, Ь вЂ” 4 ступенчатые импульсы формируются симметрично.

Таким образом на интервалах квантования без пауз осуществляют частичное широтноимпульсное регулирование выходного напряжения.

Ь

В том случае, когда требуется больший диапазон регулирования (стабилизации) выходного напряжения преобразователя (см. фиг. 3, а, б, в, г), паузы с нулевым потенциалом формируют не только на тех интервалах квантования, на которых к выходным выводам преобразователя подводят наименьший уровень выходного напряжения, т. е. на интервалах to — ti u te — t> но и на интервалах квантования непосредственно примыкающих к ним, т. е. ti — tq.

Алгоритм формирования двухступенчатых импульсов на интервалах квантования без пауз, т. е. на интервалах t2 — tg..... Ь—

4 аналогичен рассмотренному на фиг. 2.

В обоих случаях возможна реализация как симметричного широтно-импульсного регулирования выходного напряжения (для примера, рассмотренного на фиг. 2, в), когда часть регулировочного интервала вводится в начале, а часть — в конце интервала квантования, так и несимметричного регулирования, когда паузы вводят только в начале или только в конце интервала квантования (фиг. 3, в). Причем введение несимметричного регулирования позволяет упростить реализацию предлагаемого способа.

Принцип формирования управляющих сигналов преобразователя поясняется временными диаграммами на фиг. 2.

На интервале to — ti формируют отпирающий сигнал для ключа 5, запирающий сигнал для ключа 4 и сигналы с широтной модуляцией, подаваемые на входы ключей

2 — 3 мостового инвертора 1 и ключа 21 коммутатора 24, которые в результате этого дважды переключаются. При этом на первичной обмотке 6 трансформатора 7 формируют прямоугольный импульс напряжения

U», с паузами, равными регулировочным интервалам выходного напряжения, а полярндсть обмоток трансформатора такова, что на нагрузке формируют первый (наименьший) уровень положительной полуволны выходного напряжения U. На интервале

ti — tq формируют отпирающие сигналы для ключей 3 — 4, запирающие сигналы для ключей 2, 5 инвертора 1 и сигналы с широтной модуляцией, подаваемые на входы ключей 19 — 20 коммутатора 24. В результате на первичной обмотке 6 трансформатора 7 формируют отрицательный импульс напряжения U» без пауз,а квыходным выводам преобразователя поочередно подводят соседние уровни напряжения (первый уровень и второй) так, что моменты подключения меньшего уровня напряжения (моменты замыкания ключа 20 коммутатора 24) соответствуют регулировочной паузе. Принцип дальнейшего формирования управляющих сигналов на интервале t .. t> ясен из последующего рассмотрения временных диа720643

Формула изобретения

1. Способ регулирования выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения в переменное с амплитудно-импульсной модуляцией путем формирования прямоугольных разнополярных импульсов

7 грамм на фиг. 2 и аналогичен уже рассмотренным ситуациям.

В том случае, когда требуется больший диапазон регулирования (стабилизации) выходного напряжения преобразователя, паузы в прямоугольных импульсах, формируемых на первичной обмотке 6 трансформатора 7, вводят на трех (см. фиг. 3) и более интервалах квантования.

Блок-схема (фиг. 1, б) содержит однофазный мостовой инвертор 1, согласующий высокочастотный трансформатор 7, коммутатор 24, задающий генератор 25, многоканальный распределитель 26 импульсов и узел 27 управления ключами инвертора.

Задающий генератор 25 предназначен для формирования последовательности импульсов, управляющей многоканальным распределителем 26 импульсов и узлом 27 управления ключами инвертора . Распределитель

26 импульсов служит для формирования сигналов управления ключевыми элементами

17 — 23 коммутатора 24. Узел 27, представляющий из себя набор логических элементов, формирует упраляющие сигналы для ключей

2 — 5 инвертора 1.

На фиг. 4 представлены зависимости коэффициента гармоник выходного напряжения преобразователя K„(U), действующего значения U выходного напряжения и амплитуды его йервой гармоники U, от величины регулировочной паузы d для случая, когда она, равная регулировочному интервалу, вводится при каждом уровне выходного напряжения преобразователя (4, а) и избирательно — по предлагаемому способу при N = 2 и N = 3 (4, б). Из приведенных зависимостей видно, что предлагаемый способ при N = 2 позволяет осуществить регулирование напряжения на выходе преобразователя в пределах 1: 1,5, а также осуществить стабилизацию напряжения в пределах +- 15% с существенно меньшими искажениями.

Для получения большего диапазона регулирования выходного напряжения или меньших искажений следует брать больше значения числа N. и преобразования их в разные по уровню основные импульсы выходного напряжения преобразователя, симметрично расположенных относительно середины полупериода этого напряжения, причем упомянутые прямоугольные импульсы формируют с частотой, кратной частоте квантования уровней выходного напряжения, и с паузой, равной регулировочному интервалу выходного напряжения, отличающийся тем, что, с целью уменьшения искажений выходного напряжения в заданном диапазоне регулирования, формирование пауз в упомянутых прямоугольных импульсах осуществляют на интервалах квантования, соответствующих меньшим уровням выходного напряжения, а на остальных интервалах квантования формируют меньшие по уровню, чем основные, дополнительные импульсы, длительность которых равна длительности регулировочного интервала.

2. Способ регулирования по и. 1, отличающийся тем, что часть регулировочных интервалов формируют в начале, а часть— в конце интервалов квантования.

3. Способ регулирования по и. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения реа25 лизации, регулировочный интервал формируют в начале интервалов квантования.

4. Способ регулирования по п. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения реализации, регулировочный интервал формируют в конце интервалов квантования.

5. Способ регулирования по пп. 1 — 4, отличающийся тем, что формирование пауз в прямоугольных импульсах осуществляют на интервалах квантования, соответствующих наименьшим уровням выходного напряжения.

6. Способ регулирования по пп. 1 — 5, отличающийся тем, что. с целью расширения диапазона регулирования, формирование пауз в прямоугольных импульсах осуществzp ляют также на интервалах квантования с уровнями, ближайшими к наименьшему уровню выходного напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 280629, кл. Н 02 М 7/48, 1968.

2. Сб. " Промышленная и медицинская электроника. - Преобразовательная техника.

Труды XXI конференции по радиоэлектронике, посвященной Дню радио, том 1. Издательство Томского университета, 1974, с. 185.

1 гг

720643 а х

61. (U) Vg, У11т1

1,0

ОВ

r,а

K1- (U) Vg ° от

0В

Ob ое

r,O

Составитель И. Никитин

Редактор Ю. Челюканов Техред 1(. Шуфрнч Корректор Г. Казарова

Заказ 10246 45 Тираж 783 Подписное

ЦН И И П И Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал П П П «Патент>, г. Ужгород, ул. Проектная, 4