SU1005247A2 - Способ дискретного преобразовани напр жени и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Description

Дискретность выходного напр жени при равномерном квантовании его по уровню обеспечивают комбинирование числа величин и пол рностей подуро ней основного и дополни ельних уров ней напр жений, одновременно вводимых в выходную цепь с помощью управ л емых. ключей. Общее число уровней выходного на р жени  в пределах одной пол рности задаетс  выражением - cv tcycU ))-, 5) и; причем обозначени  в вышеприведенных выражени х имеют следующие значени : U -- напр жение наименьшего из уров ней, равное шагу квантовани ; и. - номер дополнительного уровн  напр жени , где h-, « 1, 2, 3 ... (и - 1) , и ; (7 S; - номер подуровн  в пределах каж дого дополнительного уровн  напр жени , где iS,- - 1, 2, 3 . (9 - 1), 5 ; (8); И - общее число дополнительных уровней напр жени ; S - общее число подуровней в преде лах каждого дополнительного уровн  напр жени  источника пи тани ; И - общее число подуровней в преде лах основного уровн  напр жет НИН; d - число, характеризующее возможность одновременного ввода в выходную цепь дополнительных уровней напр жений согласно и (или) встречно между собой в любых возможных сочетани х и принимающее значение О, 1, 2; число, характеризующее возможность вывода из выходной цепи одного или нескольких любых дополнительных уровней напр же ний при любых возможных .сочета ни х одновременно выводимых уровней напр жений и принимающее значение 0,1; С - число, характеризующее возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напр жени  при выведенном основном уровне напр жени  и принимгиоще значение 0,1; Р - число. Характеризующее возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напр хсе ни  встречно и согласно с каждым .из И1 подуровней основного уровн  напр хсени  и принимающе значение0,1,2. Недостатком способа  вл етс  то, t что при преобразовании переменных напр жений ключи основной части устройства дл  осуществлени  этого Способа переключают на повышенной частоте , в св зи с чем КПД преобразовани  напр жени  уменьшаетс  с увеличением частоты переключени  ключей и с уменьшением величины преобразуемых напр жений. Если частота первичного источника питани  достаточно высока, то потери будут очень велики и су-, ществует така  критическа  частота напр жени  первичного источника, J. когда преобразование энергии переменного тока известньм способом нерационально , так как частота первичного источника и звена повышенной .частоты станов тс  достаточно близкими и не могут быть выбраны произвольно как, например, при преобразовании посто нного напр жени  в посто нное. Кроме того, ключи дл  осуществлени  способа должны быть снабжены устройствами искусственной коммутации дл  предотвращени  по влени  сквозных токов во вспомогательных параллельных преобразовател х и т.п. Это усложн ет устройство и снижает его на1дежность . Целью изобретени   вл етс  повыше- ние КПД и надежности в процессе преобразовани  энергии, а также упроще- ние и расширение области рабочих частот при преобразовании переменных i напр жений. Поставленна  цель достигаетс  тем, что выбор дополнительных уровней производ т с частотой напр жени  питающей сети, при этом ключи каждой преобразовательной  чейки переключают в режиме вольтовычитани  встречно с напр жением первичного источника, а в режиме вольтодобавки - согласно с ним при естественной коммутации тока ключей, а общее число уровней выходного напр жени  выбирают в соответствии с выражением :i ccvcie- vy p) из которых одну половину получают в.противофазе с другой половиной, причем . . - (авиУи Чс а де d О , 1, 2 число характеризующее возможность одновременного ввода в выходную цепь дополнительных уровней напр жений согласно и (или) встречно между собой в любых возможных сочетани х; общее число подуровней в пределах каждого дополнительного уровн  напр жени  источника питани ; - общее число дополнительных уровней напр жени ; - число (равное О или 1), характеризующее возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напр жени  при выведенном основном уров не напр жени ; общее число подуровней в пределах ос-:новного уровн  напр  жени ; число,характеризуюР О, 1, 2 щее возможность ввода в выходную цепь д полнительных уровней напр жени  встречно, или согласно или встречно и согласно с каждым из к поду-ровней основного, уровн  напр жени  Наиболее близким к предлагаемому .по технической сущности устройством дл  реализации способа  вл етс  регул тор напр жени  переменного тока (JH). В этом регул торе, содерх ащем суммирующую цепь из последовательно соединенных четырехплечевых мостов, диагонали которого включена вторичные обмотки трансформатора, воз . можно cTyrteH4aToe регулирование выходного н&пр жени  без искгикени  Формы выходного напр жени . Однако этс лу регул тору присущи и некоторые недостатки: повыиенные потери в полупроводниковых элемента суммирующей цепи, повышенные масса и габариты основной части регул тора . При этом с увеличением числа последовательно включенных мостовувеличиваютс  потери, что ограничивает повышение точности и плавности регулирЬвани  напр жени , сухсаетс  диапазон регулировани , а при низких .напр жени х регулирование вообще нево мшсно. Так, при наличии четырех мос тов и падени  напр жени  на его пле чах равном 1,5 В регулирование напр жени  возможно только при напр же ни х больших 12 В. Известный преобр зователь -не позвол ет в полной мере реализовать возможности предлагаемого способа преобразовани  энергии Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройстве, реализующем предлагаемый способ, содержащем инвёрторные  чейки на управл емых клю чах с двухсторонней проводимостью, выходным выводам каждой из которых подключены зашунтированные полность управл емьли1и ключами первичные обмотк трансформаторов, вторичные обмотки этих трансформаторов соединены посл довательно, образу  суммирующую цепь, котора  одним своим концом образует один выходной вывод устройства, а другим концом подключена через один последовательный управл емый ключ с двухсторонней проводимостью к первому входному выводу устройства и через второй шунтирующий управл емый ключ - к второму его входнс 1у выводу , объединенному с другим выходным выводом устройства, к которому подключены также одни силовые входные выводы всех инверторных  чеек, причем одни силовые концы одних ключей этих  чеек объединены и подключены к первсмлу входному, выводу устройства, силошле концы других ключей инверторных,  чеек также объединены между собой и подключены к точке соединени  последовательного и шунтирующего управл емых ключей с двухсторонней про водимостью . На фиг.1 и 2 представлены упрощенные варианты известного преобразовател  , реализукйцего предложенный способ; на фиг.З и 4 - варианты предложенного устройства; на фиг. 5 и 6таблицы кодов и диаграммы выходных напр жений, по сн ющие работу устройства . На фиг.1 изображено устройство, содержащее силовые трансформаторы {1-3, имеющие обмотки 4-6, соединенные в суммирующую цепв, и первичные Ьбмотки 7-9, зашунтированные ключами 10-12. Инверторные  чейки 13-15 мостового типа присоединены параллельно источнику питани  и выполнены на ключах 16-19. К входным выводам устройства присоединены ключи 20 и 21 одним зажимом, а вторые зажимы этих ключей подсоединены к зажиму обмоткк 4 суммирующей цепи. Ключи 16-19 в совокупности с выходным трансформатором образуют инверторные  чейки устройства . В устройстве на фиг.2 ключ .16 каждой преобразовательной  чейки присоединен к ключу 20 со стороны первичного источника, а ключ 17 присоединен к ключу 20 со стороны обмоток 4-6 суммирук цёй цепи. Инверторные  чейки на фиг. 3 и 4 выполнены по схеме с нулевым выводом обмотки. Приэтом на фиг.4 показано раздельное присоединение ключей 16 и 17. Все ключи основной части имеют двухстороннюю проводимость и переключаютс  с частотой источника питани  при полном угле управлени  с 180 зл. град. Выходные напр жени  преобразовател  (фиг.1) т получают комбинированием включений и выключений напр жений о(оток 4-6 суммирующей цепи и первичного источника питани  при непрерыаном периодическом переключении с частотой первичного источника питани  ключа 20 (21). Вольтодобавочное напр жение на

обмотках 4-6 или на некоторых из них получают периодическим одновременным переключением ключей 16 и 19 (фиг.1) согласно с напр жением источника питани . ВольтОвычитающее напр жение на обмотках 4-6 или на некоторых из них получают периодическим одновременным , переключением ключей 17 и 18 встречно с напр жением источника питани . Напр жение на обмотках 4-6 или некоторых из них (например, на обмот-Ю ке 4), равное или близкое кнулю, получают при выключенных ключах ISIS и периодическом переключении ключа 10 (11 или 12) с частотой питающей сети; при отсутствии ключа 10 15 ключи 16 и 17 выключены, а ключи 18 и 19 переключаютс . Выходное напр жение получаетс  как сумма напр жений источника питани  и суммарного напр жени  на ойиотках 4-6 суммирую- 20 щей цепи. Напр жение источника питани  может быть исключено из суммирующей цепи, при этом ключ 20 выключен, а ключ 21 переключаетс  с частотой питающей сети. С помощью других уст- 25 ройств (фиг.2-4) способ реализуетс  аналогично.При наличии дополнительных отпаек первичного источника питани  ввод т дополнительные ключи, с помощью KOTojxJX соедин ют каждую отпай- ,-. ку с обмоткой параллельного преобра- зовател . Возможны устройства, выполненные по многофазной схеме, на вспомогательных преобразовател х, включенных последовательно с нагрузр. кой и т.п..

Преобразователи переменного нап-г р жени  могут быть выполнены при любых значени х параметров W, h , S. На фиг.1-4 дл  простоты показаны лишь преобразователи при и 40. У 3,

На $иг,5а - г даны примеры составлени  таблиц кодов дл  реализации предложенного способа преобразовани  напр жени . Эти коды реализуютс  с 45 помощью ключей 10-12 и 16-21 (фиг.1-4) и диаграммы (фиг.5д-ж). Ввод напр жени  питани  () в цепь нагрузки осуществл етс  включением ключа 20 (ключ 21 выведен). Это со- Q ответствует коду 1 (фиг.5д). Вывод напр жени  питани  из цепи нагрузки осуществл етс  отключением ключа 20 и включением ключа 21, что соответствует коду О (фиг.5 д) . Коды, харак- «г теризукщие ввод в цепь нагрузки и вывод из нее напр жени  питани  дл  преобразователей на фиг.1-4, включены во второй слева столбец таблицы фиг.5 а.

Ввод и вывод напр жени  обмоток . 0 4-6 суммирующей цепи характеризуютс  следующими кодами: О - напр жение обмоток выведено; 1- напр жение оботок введено согласно ( в фазе) с апр жением питани , (-1) - напр же- 65

ние обмоток введено встречно (в протовофазе ) с напр жением питани . В следующих столбцах таблиц на фиг.5 аг внесены коды ввода и вывода напр жений суммирующей цепи: U4 напр жение на обмотке 4; нар жение на обмотке 5; (J напр жение на обмотке 6.

Реализаци  кодов осуществл етс  с помощью ключей 10-12 и 16-19 в соответствии с диаграммами на фиг.5

Дл  нагл дности рассмотрим реализацию кода О различными способами. Так код О может осуществл тьс  включением ключа 10 .(вывод 04) или ключа 11 вывод И. или 12 { вывод и прИ; выключенных ключах 16-19 (фиг.1-4). Код О может быть также реализован одновременным вк лючением ключей 16-17 в первый полупериод и ключей 1819 во второй полупериод (фиг.1). Код О можно реализовать включением ключей 18-19 (фиг.2). При реализации кода О первым способом достигаетс  возможность уменьшени  потерь в ключах 10-12, так как, во первых, пр этом в цепи включаетс  только один ключ, во вторых, этот ключ может быт присоединен к любой имеющейс  обмотке по автотрансформаторной схеме с большим числом витков обмоток или к дополнительной обмотке с большим числом витков с целью уменьшени  тока через этот ключ. При преобразован низких напр жений возможно уменьшение тока, а следовательно, и потерь в дес тки раз. На.фиг,6 в качестве примеров показаны диаграммы напр жений питающей и напр жени  U4 Ug на обмотках 4-6, а также напр жени  на нагрузке UM , получ-аемого как алгебраическа  сумма напр жений /и , U4 , и, Uft. Диаграммы нап:р жений на фиг.6 а-г совмещены с диаграммами работы ключей. Диаграммы на фиг.ба соответствуют коду 35 (фиг. 5 а) и реализуютс  преобразова тел ми , показанными на фиг.1-4. Диаграммы на фиг.6 г реализуют код .i22 (фиг.5 а) в преобразовател х, показанных на фиг. 1-4.

Аналогичным образом могут быть получены все другие диаграммы напр жений , получаемых комбинированием ввода и вывода напр жений обмоток .4, 5 и 6 и напр жени  питающей цепи (л/и) в цепь нагрузки. Схему устройства и алгоритм управлени  выбирают в зависимости от конкретных задач, поставленных перед проектировщиком. Так алгоритм, реализуемый кодами (фиг.5 а) в преобразовател х на фиг. 4, используют при необходимости регулировани  выходного напр жени  от О до напр жени  выше входного, если при этом не требуетс  гальваническа  разв зка источника с нагрузкой , а к массогабаритным показател м

предъ вл ютс  повышенные требовани . Если диапазон регулировани  выходного .напр жени  небольшой, а требовани  к КПД высокие,то более выгодно использование кодов таблицы 5 б и схемы, в которой отсутствуют ключи 20 и 21 в цепи нагрузки. Если же, к КПД предъ вл ютс  высокие требовани  и необходим широкий диапазон регулировани  выходного напр жени , то целесообразно применение кодов (фиг.5 в), а если к тому же требуетс  гальваническа  разв зка цепей питани  и нагрузки, измерение фазы выходного напр жени , то используют коды Фиг.5 г. В столбце б на фиг. 5 а и в столбцах 5 на фиг.5 б-г вписаны в качестве примера значени  выходных напр жений в вольтах приicU27 В; tb 9В, В, дл фиг.За б,- и 13 В; U4 9 В; Uj- 3 Ё; дл  фиг. 5 в; и -9 В; Ос-- 3 В; дл  фиг .5г.Диаграммы напр жений на фиг.С показаны при полном угле управлени . В этом случае реализуетс  передача желаемого уровн  без искажени . На тиристоры ( с двухсторонней проводимостью или на каждый из двух встречно включенных тиристоров односторонней проводимости) в соответствии с реализуемым кодом управл ющие импульсы в начало каждого полупериода с частотой питающей сети.. Возможно и фазовое управление тиристорами дл  регулировани  выходного напр жени , но при этом искажаетс  форма выходно го напр жени . По предлагаемому способу при высоких требовани х к точности регулировани  и форме выходног напр жени  выгодно увеличение числа  чеек. С увеличением числа  чеек число уровней резко возрастет.

При увеличении числа  чеек схема усложн етс , но зато возможно неискаженное преобразование напр жени , высока  точность регулировани  (стабилизации ) напр жени . Масса регул тора при этом практически не увеличиваетс , КПД не ухудшаетс .

Предлагаемый способ позвол ет производить регулирование выходного напр жени  не только с помощью бесконтактных , но и с помощью контактных ключей которые имеют малые потери .

Известно, что динамические потери при управлении (при включении и выключении , т.е. при ко пиутации) тиристоров пр мо пропорциональны частоте коммутации. В известных преобразова .тел х эти потери при повышенной -час .тоте соизмеримы и Дс1же выие остальны составл ющих полных потерь, следовательно , КПД тиристорного блока основной части предлагаемого преобразоватл  может быть увеличен .более, чем в

два раза. Учитыва , что КПД силового трансформатора при любых значени х преобразуемых напр жений может достигать величины 0,95 + 0,99, то при относительно низких преобразуемых напр жени х КПД преобразовател  зависит практически только от потерь в ключах.

Таким образом, можно считать, что при низких преобразуеюлх напр жени х и достаточной высокой частоте синусоидального напр жени  первичного источника КПД преобразовател  по предлагаемому способу может быть увеличен вдвое только за счет коммутационных потерь. Этот вывод справедлив и дл  ключей на транзисторах.

Кроме ко1 о4утационных потерь возможно уменьшение также составлшощей мощности потерь, обусловленной падением напр жени  от пр мого тока. Эта составл юща  потерь уменьшаетс  в схемах на фиг.2 и 4 ( в KOTOEXJX ключ 17 присоединен к ключу- 20 со стороны суммирующей цепи) в режиме вольтовычитани , а в преобразовател х без ключей 20 и 21 - во всех режимах. Так, при понижении выходного напр жени  вдвое потери в последних преобразовател х снижаютс  в 2 раза по сравнению с потер ми в преобразователе на фиг.4 и в 3 раза по сравнению с потер ми в преобразователе на фиг.З, а потери в преобразователе на фиг.4 по отнс лению к преобразователю на фиг.З - в 1,5 раза. Потери уменьшаютс  также за счет исключени  ключей четырехплечих мостов из суммирующей цепи.

Повышение надежности и упрощение обусловлены в основном трем  факторами . В предлагаемо преобразователе отсутствуют устройства искусственной коммутации. Исключаетс  возможность по влени  сквозных токов во вспомогательных параллельных преобразовател х , а также возможность короткого замыкани , возникающего в известном преобразователе при срыве коммутации.

При частоте напр жени  источника питани , близк й к предельно допустимой частоте коммутации тиристоров, преобразование по известному-способу невозможно, но возможно по предлагаемому способу, т.е. при естественной коммутации тиристоров. Отсюда следуе что предлагаемый способ позвол ет расширить рабочую область частот. Эт выгодно, например, при регулировании синусоидального напр х ени  с частото регулируемой в широком диапазоне.

Claims (1)

1. Таким образом, использование предлагаемого способа преобразовани  напр жени  выгодно отличает его от известных, так как увеличиваетс  КПД преобразовани , уменьшаетс  маеса и габариты, повышаетс  надежност упрощаетс  основна  часть преобразо вател  и расшир етс  рабочий диапазо частот. Предлагаемый способ особенно эффективен дл  регулировани  относительно низких напр жений переменно тока, а также при широком диапазоне рабочей частоты первичного источника верхний предел которого близок к тредельно допустимой частоте работы ключей. Формула изобретени  1. Способ дискретного преобразова ни  напр жени  по-.авт.св. 892610, отличающийс  тем, что, с целью повышени  КПД и надежности, а упрощени  реализующей его; аппаратурам и расширени  области применени , выбор дополнительных уровней производ т с частотой напр жени  питающей сети, при этом ключи каждой преобразовательной  чейки переключают в режиме вольтовычитани  встречно с напр жением первичного источника, а в режиме вольтодобавки - согласно с ним при естественной коммутаций тока ключей, а общее число уровней выходного напр жени  q, выбирают в соответствии с выраженна  ( + Hi3, из которых одну половину с);, получают в противофазе с другой половиной, причем а - (ds-n)l е А где , 1, 2 - число, характеризую щее возможность одновременного ввода в выходную цепь дополнительных уровней напр жений согласно и (или) встречно между собо в любых возможных сочетани х; общее число подуров ней в пределах каж дого дотюлнительног уровн  напр жени  источника питани ; общее число дополнительных уровней напр жени ; 6 - число (равное О или 1) г характеризующее . возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напр жени  при выве дённом основном у уровне напр жени ; И - общее число подуровней-в пределах основного уровн  напр i - жени;;; , 1, 2- число, характеризующее возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напр жени  встречно или согласно или встречно и согласно с каждым из И1 поду« . .ровней основного уровн  напр жени . 2, Устройство дл  осуществлени  способа дискретного преобразовани  напр жени , содержащее инверторные  чейки на yпpaвл e иx ключах с двухсторонней проводимостью,к выходншлJ , выводам каждой из которых подключены за: шунтированные полностью управл емыми ключами первичные обмотки трансформаторов , вторичные обмотки этих трансфОЕ 1аторов соединены последовательно , образу  суммирующую цепь, котора  одним своим концом образует один выходной вывод устройства, а другим концом подаслючена через последовательный управл емый ключ с двухсторонней проводимостью к первому входному выводу устройства и через второй шунтирующий управл емы ключ - к второму его входному вазЬру, объединенному с другим выходным выводом устройства, к которому подключены также одни силовые входные выводы всех инверторных  чеек, причем одни силовые концы одних ключей этих  чеек объединены и подключены к первому входному выводу устройства, о тличающеес  тем, что с:йло- вые концы других ключей инверторных  чеек также объединены между собой и подключены к точке соединени  последовательного и шунтирующего управл емых ключей с двухсторонней проводимостью. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 892610, кл. Н 02 М 5/12, 19.12.78,

   o:

   .5

   K/jH)Hif

   Уиг12 Ри тФиг..е

   10(11. 12)

   ТЕМ

   IL

   17iS

   17

   (риг. 1

   5-11- 18-19, JS-13 17-18 .

   Фиг.5 .

   К/1ШЧ1

   ЙУ. f

   f6 17-iS Ж