Преобразователь постоянного напряжения в квазисинусоидальное переменное

Преобразователь постоянного напряжения в квазисинусоидальное переменное

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (и) 731532

Сок)з Соеетских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 06.01.77 (21) 2441359/24-07 (51) M. Кл.з

Н 02М 7/48

Н 02М 7/515 с присоединением заявки №вЂ”

Государственный комитет (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.04.80. Бюллетень № 16 (45) Дата опубликования описания 30.04.80 (53) УДК 621.314.27 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения Г. С. Мыцык, Ю. П. Иванов, И. В. Балюс и А. И. Чернышев (71) Заявитель

Московский ордена Ленина энергетический институт разовательной техники и может быть использовано для построения вторичных источников питания устройств электроавтоматики и электроприводов переменного тока 5 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 новы- 1о шенное качество преобразованной электрической энергии и приемлемые массо-габаритные показатели источника.

Регулирование частоты и напряжения, а также повышение качества энергии на выходе статических преобразователей реализуется в автономных инверторах напряжения путем различных видов модуляций. Наибольшее распространение получили широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и 2О амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) .

Эти методы формирования напряжения основаны или на изменении (модуляцпи) длительности отдельных импульсов равной амплитуды (ШИМ), или на изменении 25 (модуляции) амплитуды и длительности ступеней (АИМ) .

Перспективным способом улучшения гармонического состава выходного напряжения инверторов является АИМ. АИМ для 3() преобразованной электрической энергии реализуется с меньшими коммутационными потерями за счет меньшего числа тактовых интервалов и реализуется более простой системой управления.

Известны инверторы с АИМ, обеспечивающие формирование выходного напряжения с малыми искажениями (1), (2), (3).

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 отпаек обмоток трансформатора, работающего на выходной частоте (4).

Ко второму классу относятся инверторы, формирующие ступенчатое напряжение за счет использования нескольких источников питания с различными уровнями напряжения питания (5).

Общим недостатком схем инверторов, относящихся к первому классу, является наличие трансформатора, работающего на выходной частоте, и имеющих поэтому неприемлемые массо-габаритные показатели.

Недостатком второго класса инверторов является их сложность, необходимость иметь несколько гальванически развязанных источников питания или наличие вы10

W) . л

= sin

1 у 2М

65 ходных трансформаторов, по крайней мере, один из которых работает на выходной частоте.

В значительной степени свободны от этих недостатков инверторы с промежуточным звеном высокой частоты, относящиеся к третьему классу (6).

Инверторы последнего класса содержат однофазный инвертор, согласующий высокочастотный трансформатор с секционированными обмотками и коммутатор, ключи которого поочередно подключают секции обмоток.

Наиболее близким по существу технического решения является преобразователь, относящийся к третьему классу (7). Он содержит однофазный инвертор высокой частоты, выход которого подключен к первичной обмотке согласующего высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом и отпайками, расположенными симметрично относительно среднего вывода, и образующими вместе с двумя концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, коммутатор на Л управляемых ключах, поочередно переключающих отпайки на вторичной стороне трансформатора, и блок управления. Блок управления включает в себя задающий генератор 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. В этом случае 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 N раз (N/2 — число ступеней на четверти периода выходного напряжения преобразователя) .

Для достижения высокого качества напряжения на выходе преобразователя приходится нерационально увеличивать число управляемых ключей коммутатора, что усложняет решение и является недостатком такого типа преобразователей.

Цель изобретения — уменьшение коэффициента гармоник выходного напряжения преобразователя без увеличения числа ключей коммутатора.

Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе постоянного напряжения в квазисинусоидальное переменное, содержащем однофазный инвертор высокой частоты, выход которого подключен к первичной обмотке согласующего высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена со средним

40 выводом и отпайками, образующими вместе с двумя концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, коммутатор на N управляемых ключах и блок управления, включающий в себя задающий генератор и многоканальный распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора, причем 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, распределитель импульсов выполнен 2N-канальным, его выходные каналы связаны с управляющими входами ключей однофазного инвертора высокой частоты через узел формирования управляющих сигналов, обеспечивающий подачу управляющих импульсов на ключи этого инвертора для формирования его выходного напряжения и подачу управляющих импульсов на смежные ключи инвертора, т. е. на ключи, подсоединенные к общей точке цепи питания, для формирования пауз в выходном напряжении, каждый выходно" i-ый канал распределителя из числа (N — 1) совместно с (2N — i) -ым каналом связан также с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логический элемент ИЛИ, причем управляющие входы ключа подсоединены к отпайке с минимальным числом витков, связаны через логический элемент ИЛИ не только с 1-ым и (2N — 1)-ым, но и с 2N-ым каналом распределителя, а число витков -го выходного вывода трансформатора с числом витков его N-го выходного вывода связано соотношением где N — число ключей коммутатора, равное числу 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 другую от него сторону в направлении увеличения числа витков отпаек.

Узел формирования управляющих сигналов однофазного инвертора высокой частоты содержит два триггера и логические элементы И и ИЛИ, входы обоих триггеров объединены и вместе со входами N-входового и (N — 1) -входового элементов ИЛИ образуют входы узла формирования управляющих сигналов, причем входы N-входового логического элемента ИЛИ связаны с нечетными каналами распределителя импульсов, при отсчете от первого канала, входы (V — 1) -входового логического элемента ИЛИ связаны с четными каналами распределителя импульсов, а входы тригге731532 ров — с 2N-ым его каналом, одни входы второго и третьего двухвходовых логических элементов И подключены к прямому выходу одного триггера, одни входы первого и четвертого двухвходовых логических элементов И подключены к инверсному выходу этого триггера, другие входы первого, третьего и второго, четвертого двухвходовых логических элементов И попарно подключены к выходам соответственно (Л вЂ” 1)входового и N-входового логического элементов ИЛИ, выходы первого, второго и третьего, четвертого логических элементов И попарно связаны через логические элементы ИЛИ с одними входами соответственно первого, второго и третьего, четвертого логических элементов ИЛИ, ко вторым входам первого, третьего и второго, четвертого этих логических элементов ИЛИ соответственно подключены выходы двух двухвходовых логических элементов И, входы которых соединены с входом триггеров и выходами второго триггера.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема силовой части предлагаемого преобразователя для случая N=4; на фиг. 2— блок управления этим преобразователем; на фиг. 3 — временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя по фиг. 1; на фиг. 4 — временные диаграммы, поясняющие принцип работы регулируемого по напряжению варианта преобразователя по фиг. 1; на фиг. 5 — зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения преобразователя от числа ступеней (N)»а четверти периода его выходного напряжения.

Рассмотрим конкретный пример предлагаемого преобразователя с N=4, т. е. когда коммутатор преобразователя имеет четыре управляемых ключа и кривая напряжения на выходе преобразователя состоит из четырех ступеней.

Предлагаемый преобразователь содержит однофазный инвертор 1 высокой частоты, выполненный на ключах 2 — 5. Инвертор 1 нагружен на первичную обмотку 6 согласующего трансформатора 7. Его вторичная обмотка 8 выполнена со средним выводом 9 и отпайками 10, 11, образующими вместе с двумя концами 12, 13 этой обмотки выходные выводы 10 — 13 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 (см. фиг. 2) сбдержит задающий генератор 20, многоканальный распределитель 21 импульсов и узел 22 формирования управляющих сигналов, довательностн импульсов управления, подаваемые на ключи 2 — 5;

U„„» — форма nbrxopHor o ttanpst>tceния преобразователя;

Ut Tð — форма напряжения на первичной обмотке 6 трансформатора 7;

Ui4 U — сигналы управления, пода55 ваемые на управляющие входы ключей 14 — 17 коммутатора 18.

При подключении питания к блоку управления и силовой части преобразователя

60 и замыкания ключей 3, 4 ннвертора 1 на первичной обмотке 6 согласующего высокочастотного трансформатора 7 формируется отрицательный импульс напряжения Ui p.

Полярность обмоток трансформатора тако65 ва, что при замыкании ключа 15 коммута50

Задающий генератор 20 подключен к многоканальному распределителю 21 импульсов, который выполнен восьмпканальным, причем первый его канал совместно с

5 седьмым и восьмым, второй совместно с шестым, третий совместно с пятым и четвертым связаны с управляющими входами соответственно ключей 15, 16, 14, 17 коммутатора 18 через логические элементы

1о ИЛИ. Распределитель 21 импульсов связан также с управляющими входами ключей

2 — 5 высокочастотного инвертора 1 через узел 22 формирования управляющих сигналов. Узел формирования 22 управляющих

I5 сигналов выполнен в виде шести двухвходовых логических элементов И 23 — 28, шести двухвходовых логических элементов

ИЛИ 29 — 34, одного трехвходового 35 и одного четырехвходового 36 логических эле20 ментов ИЛИ и двух триггеров 37 и 38.

Входы триггеров 37 и 38 объединены и вместе с входами элементов 35 и 36 образуют входы узла формирования управляющих сигналов 22. Выходы триггера 37 и элементов 35, 36 через элементы И 23 — 26 связаны со входами логических элементов

ИЛИ 29, 30, выходы которых подключены к одному нз входов логических элементов

ИЛИ 31 — 34. Вторые входы элементов 31—

ЗО 34 с выходами логических элементов И 27, 28, входы которых подключены к выходам и входу триггера 38. Выходы элементов

ИЛИ 31 — 34 связаны с управляющими входамц ключей 2 — 5 однофазного пнвертора

1 через буферные усилители 39.

Принцип формирования ступенчатого выходного напряжения поясняется на фиг. 3, где показаны ТИ (тактовые импульсы) на выходе .задающего генератора 20.

40 Uq — Uq — сигналы управления, подаваемые на управляющие входы ключей 2 — 5 инвертора 1;

U 4 H U - — две дополнительные после45

731532 тора 18 па нагрузкс формируется первая ступень положительной полуволны выходного напряжения U»»», При замыкании ключей 2 и 5 инвертора 1 па обмотке 6 формируется положительный импульс напряжения Ul ð. Замыканием ключа 16 формируют вторую ступень выходного напряжения. Дальнейшее формирование ступеней происходит аналогично в соответствии с временными диаграммами, представленными <а фиг. 3.

Для формирования паузы между полуволнами выходного напряжения с помощью триггера 38 и логических элементов И 27, 28 выделяют две дополнительные последовательности импульсов U> 4 и U> 5 с частотой, равной выходной частоте преобразователя, сдвинутые между собой на угол л.

В соответствии с последовательностями импульсов U 4 и U замыкают пары

В В соседних ключей 2, 4 и 3, 5 одпофазного инвертора 1, принадлежащих разным его стойкам, тем самым подключая первичную обмотку 6 согласующего трансформатора 7 к общей точке цепи питания.

Ценой некоторого усложнения устройства управления можно построить вариант преобразователя с регулированием длительности импульсов выходного напряжения. Регулирование 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.

Простейший алгоритм управления ключами инвертора, обеспечивающий регулирование длительности импульсов выходного напряжения, основан на том, что широтное регулирование вводится па каждом интервале квантования выходного напряжения.

Принцип его поясняется временными диаграммами на фиг. 4, где показаны:

Uz †. U;- — сигналы управления, подаваемые па управляющие входы ключей 2 — 5 инвертора 1;

У 4 и Уа — две дополнительные последовательности импульсов управления, подаваемые на ключи 2 — 5;

U»> — форма напряжения на первичной обмотке 6 трансформатора 7;

У»»»р — форма выходного напряжения преобразователя;

UI4 U» — сигналы управления, подаваемые на управляющие входы ключей 14 — 17 коммутатора 18.

АИМ может осуществляться с разным

Числом ступеней на четверти периода вы5

Зо

65 ходпого напряжения преобразователя, с четным или нечетным числом переключений (n) ключей коммутатора на полупериоде выходного напряжения, а также с паузой между полуволпамп выходного напряжения пли без нее.

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

В предлагаемом преобразователе выходное напряжение формируется с нечетным числом и и с паузой между полуволнамп выходного напряжения. В этом случае число ключей коммутатора равно числу степеней на четверти периода выходного напряжения и при равном с прототипом числе управляемых ключей коммутатора предлагаемый преобразователь имеет меньший коэффициент гармоник выходного напряжения, так как при том же числе ключей удается увеличить число ступеней на полупериоде выходного напряжения.

Так при числе ключей коммутатора Т=

=4 известное решение имеет коэффициент гармоник К,=0,23 и формирует двухступенчатое напряжение без паузы меж,»у его полуволнами. Предлагаемый преобразователь прп том же числе ключей имеет К,=

=0,133 и формирует четырсхступенчатос напряжение с паузой.

Предложенный преобразователь может применяться во всех тех случаях, когда требуется преобразование постоянного напряжения одного уровня в одпофазное напрякение другого уровня заданной фиксированной частоты.

В принципе, выходную частоту можно регулировать за счет изменения частоты задающего генератора. Диапазон регулирования прп этом ограничен нижней рабочей частотой согласующего трансформатора.

В качестве полностью управляемых ключей с двусторонней проводнмостьх, примененных в коммутаторе, могут быть использованы или встречно-параллельно включенные управляемыс ключи (транзисторы илп тиристоры), или диодные мосты с управляемыми ключами на их выходах.

Целесообразное число ступеней Л выбирается в каждом случае применения в зависимости от требования к искажению выходного напряжения.

Зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения от числа ступеней, позволяющая осуществить выбор числа N в каждом конкретном случае, представлена на фиг. 5.

Формула изобретения

1. Преобразователь постоянного напряжения в квазисинусоидальное переменное.

731532

10 где

55 содержащий однофазный инвертор высокой частоты, выходом нагруженный на первичную обмотку согласующего высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом и с отпайками, образующими вместе с двумя концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, коммутатор на N управляемых ключах и блок управления, включающий в себя задающий генератор и многоканальный распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора, причем 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, отличающийся тем, что, с целью уменьшения искажений выходного напряжения без увеличения числа ключей коммутатора, распределитель импульсов выполнен 2Л -канальным, его выходные каналы связаны с управляющими входами ключей однофазного инвертора высокой частоты через узел формирования управляющих сигналов, обеспечивающий подачу управляющих импульсов на ключи этого инвертора для формирования его выходного напряжения и подачу управляющих импульсов на смежные ключи инвертора для формирования в выходном напряжении пауз, каждый выходной i-ый канал распределителя из числа (N — 1) совместно с (2N — i) -ым каналом связан также с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логический элемент ИЛИ, причем управляющие входы ключа, подсоединенного к отпайке с минимальным числом витков, связаны через логический элемент ИЛИ не только с 1-ым и (2Л вЂ” 1)-ым, но и с 2N-ым каналом распределителя, а число витков -го выходного вывода трансформатора с числом витков его У-го выходного вывода связано соотношением:

> c -c

= sin

" у 2Ж

N — число ключей коммутатора, равное числу ступеней на четверти периода выходного преобразователя;

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

5 ю

25 зо

45 от него сторону в направлении увеличения числа витков.

2. Преобразователь по п. 1, отл ича юшийся тем, что узел формирования управляющих сигналов однофазного инвертора высокой частоты содержит два триггера и логические элементы И и ИЛИ, входы обоих триггеров объединены и вместе со входами N-входового и (У вЂ” 1)-входового элементов ИЛИ образуют входы узла формирования управляющих сигналов, причем входы N-входового логического элемента

ИЛИ связаны с нечетными каналами распределителя импульсов, при отсчете от первого канала, входы (Л вЂ” 1)-входового логического элемента ИЛИ связаны с четными каналами распределителя импульсов, а входы триггеров — с 2Л -ным его каналом, одни входы второго и третьего двухвходовых логических элементов И подключены к прямому выходу одного триггера, одни входы

1-го и 4-го двухвходовых логических элементов И подключены к инверсному выходу этого триггера, другие входы 1-ro, 3-го и

2-го, 4-го двухвходовых логических элементов И попарно подключены к выходам соответственно (Л вЂ” 1) -входового и N-входового логических элементов ИЛИ, выходы

1-го, 2-го и З-го, 4-го логических элементов

И попарно связаны через логические элементы ИЛИ с одними входами соответственно 1-ro, 2-го и З-го, 4-го логических элементов ИЛИ, ко вторым входам 1-го, 3-ro и 2-го, 4-го этих логических элементов ИЛИ соответственно подключены выходы двух двухвходовых логических элементов И, входы которых соединены с входом триггеров и выходами второго триггера.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авт.свид. СССР Н 02М5/42 Л% 436419, 1972.

2. Патент США, кл, 321 — 9, Ко 3652918, 1975.

3. Патент ФРГ, кл. Н 02М 7/44, Ne 2160869, 1973.

4. Авт. свид. СССР Н 02М 7/48 Хо 280629.

1968.

5. Авт. свид. СССР Н 02М5/48, М 414ЮЗ

1971.

6. Авт. свид. СССР Н 02M 5/42 Ме 449425, 1971.

7. Повышение эффективности устройств преобразовательной техники. Ч. 4. Киев, «Наукова думка», 1973, с. 127 — 136 (прототип) .

И1

Ь Ф

Vrmp

И1тр

Инагр иногр

015

Vr6

Vr+

Vrc, и17

Vr7 фиг. Ф фиг. 3

0,3

0,г ал

2 3 Ф 5 6 7 6 фиг.5

Редактор О. Стенина

Корректор E. Осипова

Типография, пр. Сапунова, 2

»r

Составитель E. Дорошин

Техред А. Камышникова

Заказ 755/19 Изд. № 279 Тираж 798 Подписное

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

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5