Инвертор с синусоидальной формойвыходного напряжения

Инвертор с синусоидальной формойвыходного напряжения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советски к

Соцмалнстнческнк

Республик

ОП ИСАЙКЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< >847465 (6! ) Дополнительное к авт. свип-ву (5!)М-. К .

Н 02 М 7/48

Н 02 P !3/20 (53) УДК62!.3)4. .572 (088.8) (22)Заявлено 22.0! 79 (2!) 27)5!43/24-07 с присоелинением заявки !те

Государственный кнмнтет

СССР (23) Приоритет нв делам наебретеннй н открытий

Опубликовано 5. 07. 8 ° Бюллетень J% 26

Дата опубликования описания 7.07. 8! (72) Авторы изобретения

Ю. И. Драбович, Н. С. Комаров, В. В. Марты и В. Ф. Михальская

И (7!) Заявитель нститут электродинамики АН Украинско1=-АССР (54) ИНВЕРТОР С СИНУСОИДАЛЬНОЙ ФОРМОЙ ВЬИОДНОГО

НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для построения высокоэффективных источников электропитания промышленной и специальной аппаратуры в автономных объектах, где требуются высокая стабильность и точность формы и амплитуды выходного напряжения, высокий КПД в широком диапазоне изменений тока нагрузки и вида нагрузки.

Известны преобразователи с сину10 соидальной формой выходного напряжения, использующие широтно-импульсную модуляцию (!J и $ 21. В этих устройствах постоянная составляющая изменяетf5 ся за счет широтно-импульсной модуляции по требуемому закону, задаваемому источником опорчого сигнала (модуль синуса), с последующим инвертированием выходного напряжения (моменты инвертирования совпадают с моментами перехода через нуль модулируемого сигнала — синусоиды !,2 ), либо инвертируют не отфильтрованный вы2 ходной сигнал — модуль синуса в широтно-импульсно-модулированный сигнал с последующей фильтрацией Pl) (3) и 4).

Однако в этих устройствах не удается обеспечить высокое качество выходного напряжения (форму) и его малую нестабильность в широком диапазоне изменений тока нагрузки, а также при работе устройства на комплексную нагрузку с большим фазовым сдвигом между током и напряжением, хотя в большинстве выпускаемой промьппленностью аппаратуры содержится трансформатор и выпрямитель с первым емкостным звеном фильтра. Все это приводит к отсечке потребляемого тока, т.е. нагрузка представляет собой нелинейную цепь со значительной реактивной составляющей, ток может либо опережать, либо отставать от напряжения, кроме того, в моменты коммутации такие устройства не в состоянии эффективно и без потерь регу84746

JIH poÁÿть реактивную мощность ) что приводит к искажению формы выходного напряжения, так как нет пути протекания тока, который отстает, либо опережает напряжение на нагрузке. Преоб5 разователи с синусоидальной формой выходного напряжения должны обеспечивать высокое качество выходного напряжения в широком диапазоне токов нагрузки и устранять искажения формы напряжения при работе на активно-реактивную нагрузку.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее эталонный

15 генератор, подключенный к одному из входов схемы сравнения, выход которой подключен к широтно-импульсному модулятору, мостовой выходной каскад с LC-фильтром, выход которого подключен к другому входу схемы сравнения, выход широтно-импульсного модулятора подключен через дополнительные усилители к источникам запирающего и отпирающего напряжения, включенным в цепь управления транзисторами выходного мостового каскада. В данном преобразователе отсутствуют искажения формы выходного напряжения при работе на активно-реактивную нагрузку s широком диапазоне изменения токов нагрузки, так как существуют цепи рекуперации реактивной мощности, но именно из-за этих цепей он обладает невысо" ким КПД в связи с наличием сквозных токов (Я.

Точность системы тем вьппе, чем больше коэффициент усиления цепи обратной связи, но возможность увеличе- ния коэффициента усиления в контуре системы для повышения ее точности по управляющему воздействию и возмущениям ограничена условием устойчивости. Следовательно, в данном преобразователе нельзя достичь высокой стабильности выходного напряжения из-за ограничения максимального коэффициента усиления в канале, охваченном обратной связью.

Цель изобретения — повьппение КПД и устойчивости преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в инвертор с синусоидальной фор" мой ВыхОднОГО напряжения сОдержащий 55 эталонный генератор, подключенный к одному из входов схемы сравнения, другой вход которой подключен к выходным выводам инвертора, а ее выход

5 ф срединен со входом широтно-импульсного модулятора, а также источники запирающего и отпирающего напряжения, которые вместе с гальвинически развязанными выходами модулятора подключены к эмиттерам силовых транзисторов выходного каскада, выполненного по мостовой схеме, причем между выводами переменного тока этого моста, образующими выходные выводы инвертора,. включен LC-фильтр, введены выпрямитель, два пороговых усилителя, комбинационная схема, имеющая два входа, и управляемые ключи переменного тока, причем выход эталонного генератора и схемы сравнения соединены через пороговые усилители со входами комбинационной схемы, выходы которой подключены к управляющим входам соответствующих ключей переменного тока, силовые выводы последних включены между источниками отпирающего и запирающего напряжений, гальванически развязанными выходами широтно-импульсного модулятора и базами силовых транзисторов выходного каскада, а вход широтно-импульсного модулятора через введенный выпрямитель подключен к выходу схемы сравнения.

Кроме того, с целью упрощения, выход выпрямителя подключен к управляющему входу введенного фазо-импульсного модулятора, выполненного в виде опорного генератора прямоугольного напряжения и фазосдвигающего узла, . причем гальванически развязанные выходы опорного генератора прямоугольного напряжения соединены с первым входом соответствующих введенных преобразователей фаэо-импульсно-модулированных сигналов в широтно-импульсно-модулированные, выходом соединенных с базами силовых транзисторов выходного каскада, выход опорного генератора прямоугольного напряжения через ключ переменного тока в фа4 зе, гальванически развязанные выходы эталонного генератора через другой ключ переменного тока в противофазе и выход фазосдвигающего узла через третий ключ переменного тока подключены ко второму входу указанных преобразователей, а управляющие входы ключей переменного тока подключены к соответствующим выходам комбинационной схемы.

На фиг.1 изображена принципиальная схема инвертора с синусоидальной фор5 84 мой выходного напряжения на фиг.2— диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу инвертора; на фиг.3 — эквивалентные схемы инвертора, поясняницие принцип его работы; на фнг.4 — широтно-импульсный модулятор, источники отпирающего, запирающего, широтноимпульсно-модулированных сигналов и ключи переменного. тока, вариант нз фиг.5 — принципиальная схема комбинационной схемы.

Инвертор с синусоидальной формой выходйого напряжения фиг.1 содержит эталонный генератор 1, схему 2 сравнения, выпрямитель 3, широтноимпульсный модулятор 4, пороговые усилители 5 и 6, комбинационную схему 7, блоки 8 ключей переменного тока, транзисторы 9-1,2 мостового выходного каскада, диоды 13-)6, дроссель )7, конденсатор 18, источники

l9-22 запирающего напряжения, источники 23-26 отпирающего напряжения, гальванически развязанные выходы .27-30 широтно-импульсного модулятора источник 31 постоянного напряжения.

Широтно-импульсный мрдулятор с гальванически развязанными выходами, источники запирающего и отпирающеРо

Иапряжения, ключи переменного тока могут состоять иэ фазо-импульсного модулятора 32 (фиг.4), генератора 33 прямсугольного напряжения, фазосдвигающего узла 34, блоков 35 ключей переменного тока и преобразователя

36 фаэо-импульсно-модулированного сигнала в широтно-импульсно-модулированный. Комбинационная схема 7 (фиг.)) может содержать логические элементы

НЕ 37-40 и логические элементы

И-НЕ 4! и 42 (фиг.5) . Выход эталонного генератора 1 соединен со схемой

2 сравнения и пороговым усилителем

6. На другой вход схемы 2 сравнения поступает напряжение с конденсатора

18 выходного 1.С-фильтра. Выход схема сравнения соединен с выпрямителем

3 и пороговым усилителем 5. К управляющему входу широтно-импульсного модулятора 4 подключен выход выпрямителя 3. Гальванически развязанные выходы широтно-импульсного модулятора источники отпирающего и запирающего напряжения подключены к эммитерам транзисторов мостового каскада, другим своим концом каждый источник подключен к силовым выводам соответствующих ключей переменного тока, 7465 6 другой конец которых подключен к ба« зам транзисторов 9-)2. Выходы пороговых усилителей 5 и 6 подключены ко входам комбинационной схемы 7, выходы которой подключены к соответствующим ключам 8 переменного тока. В диагональ выходного мостового каскада включен ) С-фильтр, причем один конец конденсатора, не связанный с схемой

2 сравнения, заземпен.

Данное устройство упрощается, если выход выпрямителя .3 соединен с фазоимпульсным модулятором 32, содержащим опорный генератор 33 прямоугольного напряжения, подключенный к фазосдвигающему узлу 34, управляющий вход которого является входом фазо-импульсного модулятора 32, гальванически развязанные выходы генератора 33 прямоугольного напряжения соединены с первым входом рреобразователя 36 фазо-импульсно-модулированных сигналов в широтно-импульсно-модулированный являющегося составной частью блока ключей переменного тока и гальванически развязанных источников широтно-импульсного напряжения, запирающего и отпирающего напряжения, причем выход последнего подключен к силовым транзисторам выходного каскада. Этот же выход опорного генератора 33 через ключ переменного тока в фазе подключен ко второму входу преобразователя 36 этот же гальванически развязанньш выход генератора

33 через другой ключ переменного тока подключен к противофазе также по второму входу преобразователя 36» выход фаэосдвигаюшего устройства (транзисторами 11 через третий ключ переменного тока подключен также ко второму входу преобразователя 36, а управляющие входы ключей переменного тока подключены к выходам комбинационной схемы 7.

Устройство также упрощается, если выход К2 порогового усилителя 5 (фиг.)) является выходом комбинационной схемы 7 (43 и 44, фиг.5), а также соединен со входом элемента НЕ 37 и одним из входов элемента 42. Выход Х1 порогового усилителя 6 подключается, ко входу элемента 38 и к другому входу элемента 42. Выход элемента

НЕ .37 является выходом комбинационной схема и подключен к одному иэ входов элемента НЕ 41, к другому его входу подключен выход элемента НЕ 3&.

7 8474

Выход элемента 4 является выходом комбинационной схемы 45. Соединив его через элемент HE 40, получают выход 46. Выход элемента 42 - это выход комбинационной схемы 47. Со5 единив его с входом элемента НЕ 39, получают на его выходе выход комбинационной схемы 48, Выходы комбинационной схемы соецинены с управляющими входами соответствующих ключей переменного тока (фиг.! и 4).

Инвертор работает следующим образом.Считают, что сигнал с выхода схемы 2 сравнения имеет синусоидальную форму..

1S

Генератор 1 формирует эталонное синусоидальное напряжение, которое через схему 2 сравнения(где формируется разностный сигнал в результате сравнения эталонного сигнала и выходного) поступает на вход выпрямителя 3. С выхода выпрямителя полученное напряжение (модуль синуса) воздействует на вход широтно-импульсного .модулятора 4, который имеет четыре гальванически развязанных выхода (гальванически развязанные выходы можно осуществить, используя, например оптроны, либо воспользоваться схемой, приведенной на фиг.4), подключенных через коммутирующие цепи ключей переменного тока к базам силовых транзисторов 9-12. Пороговые усилители 5 и 6 из напряжения синусоидальной формы с выхода эталонного генератора и схемы 2 сравнения формируют прямоугольное напряжение.

Сформированные прямоугольные напряжения с выходов усилителей 5 и б поступают на входы комбинационной 40 схемы 7, которая своими выходами подключена к управляющим входам ключей переменного тока блока 8.

Допустим, преобразователь работает на емкостную нагрузку (холостой ход)

В момент времени от 0 до t (см.фиг.2) происходит заряд выходного конденсатора от источника 31. Заряд конденсатора происходит по синусоидальному закону широтно-импульсным сигналом.

Путь протекания тока через конденса" тор в это время обеспечивается схемой, приведенной на фиг.Зо. Транзистор 9 работает в режиме широтно-импульсной модуляции, транзисторы 10 и 11 закрыты, а транзистор 12 открыт.

В это время от 0 до и происходит заряд конденсатора, но заряд с какойто конечной скоростью, следовательно, 65 8 разность между опорным и выходным сигналом положительна, положителен в это же время и ток через конденсатор.

В момент времени t< напряжение на конденсаторе достигает максимального значения, и нет пути для прохождения через него тока, второй в этот момент меняет знак (ток в емкостной нагрузке опережает напряжение). Следовательно в интервале t - t напряЭ

2 жение на конденсаторе больше, чем напряжение опорного генератора,и, чтобы не было искажений в выходном напряжении при смене знака, конденсатор разряжается на источник 31. При этом имеет место замещение схемы (см.фиг.35), где транзистор 11 работает в режиме широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону.

При этом транзисторы 9 и 10 закрыты, а транзистор 12 открыт. В момент времени и напряжение на конденсаторе становится равным нулю и до момента времени t>, когда знаки напряжения опорного генератора и разностного напряжения совпадают, происходит перезаряд конденсатора от источника 31 в другом направлении, при этом транзистор IO работает в режиме широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону, транзисторы

9 и 12 закрыты,а транзистор 11 открыт.

В момент времени t> происходит переключение схемы для обеспечения проте-. кания тока конденсатора, который меняет знак, при этом транзистор 12 работает в режиме широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону, транзисторы 9 и 10 закрыты, а транзистор 11 открыт.

Аналогично работает схема в том случае, если заряд конденсатора осуществляется через транзисторы !2 и

10, а разряд — транзисторами 9 и 11.

Напряжения, иллюстрирующие работу преобразователя на холостом ходу, приведены на фиг.2, где обозначено:

< U(t) — разностное напряжение

U (t) — напряжение на выходе этаоп лонного генератора;

X1(tj+R(t) — напряжения на выходе пороговых усилителей S и 6;

YCtl Y2@Y3t- напряжения на выходе схемы 7 где Ф = 9,10,11,12 — номера транзисторов; 1 9-0- 12 — напряжение на базе транзисторов 9-12;

84?4 (} — напряжение в диагонали

АЪ мостового выходного каскада;

U„(t} — напряжение на конденсаторе 18.

Время Т (т.е. начало появления ограничения величины напряжения на уровне О„ зависит от величины индуктивности I„, .

В качестве источников отпирающего и запирающего и гальванически развязанных источников широтно-импульсномодулированного сигнала с ключами переменного тока может быть применено устройство, приведенное на фиг.4.

Если на управляющие входы 51 и 52 ключей переменного тока подается запирающее напряжение, а на вход 53 ключа переменного тока — отпирающее, то ко второму входу преобразователя 36 прикла- о дывается фазо-импульсно-модулированное напряжение. В результате этого, на выходе преобразователя 36 (т.е. всего устройства 35} формируется широтно-импульсно-модулированное напряжение для управления силовым транзистором выходного каскада. Если на входы 52 и 53 ключей подается запирающее напряжение, а на выход 51 ключа — отпирающее, то ко второму зц входу преобразователя 36 подключается источник со сдвигом фазы на 180О относительно исходного прямоугольного напряжения, поданного на первый вХод преобразователя 36, а на выходе этого преобразователя формируется запирающее напряжение. Если на входы 51 и 53 ключей переменного тока с выходов комбинационной схемы подается запирающий сигнал, а на 40 вход 5) ключа — отпирающий, то ко второму входу преобразователя 36 прикладывается прямоугольное напряжение в фазе с напряжением на первом входе преобразователя 36, следова- 4 тельно, на выходе преобразователя

36 формируется отпирающее силовой транзистор напряжение.

Ключи переменного тока со входами 51,52 и 53 можно выполнить по

50 известным схемам, например как показано на фиг.4 Преобразователь 36 фазо-импульсно-модулированного напряжения в широтно-импульсно-модулированное можно выполнить с использова- 5 кием известных схем, например как показано на фиг.5.

Если задать силовым транзисторам

9 и 11 (фиг.)} такой режим работы

65 10 чтобы эти транзисторы заряжали конденсатор )8 в режиме широтно-импульсной модуляции от источника 31 и разряжались на него, то комбинационная схема имеет вид, приведенный на фиг.5. Прямоугольные напряжения с выходов Х), Х2 пороговых усилителей 5 и 6 поступают на входы комбинационной схемы

?, где выполняются операции инвертирования и операции И-НЕ над этими сигналами, в результате чего формируются управляющие сигналы на выходах комбинационной схемы. Выходы комбинационной схемы подключены к соответствующим управляющим входам ключей переменного тока, которые, управляя моментами включения отпирающих, запирающих и широтно-импульсно модулированных напряжений, обеспечивают формирование неискаженного синусоидального напряжения на выходе инвертора при любых видах нагрузки.

КПД данного инвертора повышается за счет устранения сквозных токов.

Нет такого момента времени, когда бы в режиме широтно-импульсной модуляции работали бы два транзистора (9 и )2, или )О и I)). Всегда, если один транзистор работает в режиме широтно-импульсной модуляции, то другой закрыт. КПД повышается также за счет того, что в режиме широтно-импульсной модуляции всегда работает только один из четырех транзисторов, т.е. уменьшены потери на переключение.

Устойчивость инвертора повышается вследствие заложенного принципа работы: при превышении выходного напряжения опорного сигнала устройство отключается от источника питания и поддерживает форму и амплитуду выходного сигнала эа счет энергии, записанной в выходном LC-фильтре. Ошибка в выходном сигнале относительно опорного возможна только до одного знака.

Как только знак изменяется, схема переключается так, чтобы ошибка была опять прежнего знака, или же стремилась к нему. Если.в какой-то момент времени возникает колебание и амплитуда выходного напряжения превышает амплитуду опорного напряжения, выходной мостовой каскад отключает нагрузку от источника питания, и амплитуда и форма напряжения поддерживается за счет энергии1 запасенной в выходном фильтре, т.е. колебания будут затухающие. Процесс этот ускоряется

1) 84746 из-за активного вмешательства в процесс рекуперации энергии LC-фильтра.

Данное свойство системы позволяет повысить коэффициент усиления в замкнутом контуре регулирования и, тем самым, увеличить стабильность выход5 ного напряжения.

Все это позволяет значительно улучшить качество и энергетические характеристики источников электропита-, ния промышленной и специальной аппаратуры в автономных объектах с широким диапазоном изменения нагрузки.

Формула изобретения

1. Инвертор с синусоиадальной формой выходного напряжения, содержащий эталонный генератор, подключенный к одному из входов схемы сравнения, другой вход которой подключен к выходным выводам инвертора, а ее выход соединен со входом широтно-импульсного модулятора,а также источники запирающего и отпирающего напряжений, 25 которые вместе с гальваннчески развязанными выходами модулятора подключены к эмиттерам силовых транзисторов выходного каскада, выполненного по мостовой схеме, причем между выводами переменного тока этого моста, образующими выходные выводы инвертора, подключен LC-фильтр, о т л и ч а ю— щ и fi с я тем, что, с целью повьппения КПД и устойчивости, дополнительно

35 введены. выпрямитель, два пороговых усилителя, комбинационная схема, имеющая два входа, и управляемые ключи переменного тока, причем выход эталонного генератора и схемы сравнения сое-, динены через пороговые усилители со входами комбинационной схемы, выходы которой подключены к управляющим входам соответствующих ключей переменного тока, силовые выводи последних включены между источниками отпирающего и запирающего напряжений, гальванически развязанными выходами широтноимпульсного модулятора и базами тран5 12 з11сторов выходного каскада, а вход широтно-импульсного модулятора через введенный выпрямитель подключен к выходу схемы сравнения.

2. Инвертор по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью упрощения, выход выпрямителя подключен к управляющему входу введенного фазоимпульсного модулятора, выполненного в виде опорного генератора прямоугольного напряжения и фаэосдвигающего узла, причем гальванически развязанные выходы опорного генератора прямоугольного напряжения соединены с первым входом соответствующих вве- . денных преобразователей фазо-импульсно-модулированных сигналов в широтно-импульсно-модулированные, выходом соединенных с базами соответствупппих силовых транзисторов выходного каскада, выход опорного генератора прямоугольного напряжения через ключ переменного тока в фазе, гальванически развязанные выходы эталонного генератора через другой ключ переменного тока в противофазе и выход фазосдвигающего узла через третий ключ переменного тока подключены ко второму входу указанных преобразователей, а управляющие входы ключей переменного тока подключены к соответствующим выходам комбинационной схемы.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Японии 11 51-35683, кл. Н 02 P 13/20, 1976.

2. Патент ФРГ 9 2543776, кл. Н 02 Р 13/24, 1977.

3 ° Малышков Г.N. и др. Однофазные инверторы в классе Д. -"Электронная техника в автоматике", вып."Советское радио", 1976.

4. Малышков Г.N. и др. "Преобразователь постоянного напряжения в переменное, работающий в классе Д".

Сб. "Повьппение эффективности устройств в преобразовательной технике", Киев, "Наукова Думка", ч.4, с.112-117, рис.1-2, 1974.