SU1075358A1

SU1075358A1 - D.c.voltage/a.c.voltage converter

Info

Publication number: SU1075358A1
Application number: SU823477081A
Authority: SU
Inventors: Владимир Тимофеевич Барабаш; Вячеслав Викторович Сазонов; Юрий Николаевич Журевич
Original assignee: Куйбышевский институт инженеров железнодорожного транспорта
Priority date: 1982-08-05
Filing date: 1982-08-05
Publication date: 1984-02-23

Abstract

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЦОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ, содержащий выходной инвертор, фильтр и блок управлени , в который входит задающий генератор и магнитный усилитель, огличающийс тем, что, с целью уменьщени массы и габаритов путем улучщени спектрального состава выходного напр жени инвертора, в .блок управлени введен делитель частоты, суммирующий логический узел управлени , Щ1фро-аналоговый преобразователь , магнитный мультивибратор, вспомогательные ключи, причем выходы задающего генератора соединены с синхронизирующим входом магнитного мальтивибратора и с входом делител частоты, выход делител частоты св зан с входом суммирующего логического узла управлени , один выход которого подключен к управл ющему входу цифро-аналогового преобразовател , а другой - к управл ющим входам ключей выходного инвертора, рабочие и управл ющие обмотки указанного магнитного усилител первым выводом соединены через вспомогательные ключи с первым выводом выходной обмотки магнитного мультивибратора, соединенной вторым выводом с общей шиной , к которой подключены вторые выводы i рабочих обмоток магнитного усилител и первый выходной вывод цифро-аналогового преобразовател , к второму выходному выводу которого подключены вторые выводы управл ющих обмоток магнитного усилител , выходные обмотки которого подсоединены к входу суммирующего логического блока управлени .CONTAINING VOLTAGE VOLTAGE CONVERTER containing the output inverter, filter and control unit, which includes the master oscillator and magnetic amplifier, which in order to reduce the weight and size by improving the spectral composition of the output voltage of the inverter, the divider is inserted into the control unit. frequency, summing control logic node, Sch1-analog-to-analog converter, magnetic multivibrator, auxiliary switches, with the outputs of the master oscillator connected to the synchronizing input with a magnetic multi-vibrator and with an input of a frequency divider, the output of a frequency divider is connected to the input of a control summing logic node, one output of which is connected to the control input of the digital-analog converter, and the other to the control inputs of the keys of the output inverter, operating and control windings the specified magnetic amplifier the first output is connected via auxiliary switches with the first output of the output winding of the magnetic multivibrator connected by the second output with a common bus to which the second is connected There are i outputs of the working windings of the magnetic amplifier and the first output terminal of the D / A converter, to the second output terminal of which the second terminals of the control windings of the magnetic amplifier are connected, the output windings of which are connected to the input of the summing logic control unit.

Description

СПSP

со елcoke

СХ) Изобретение относитс к электротехнике и может быть использовано в системах электропитани и электропривода дл преобразовани посто нного напр жени в переменное . Известен преобразователь, работающий по принципу полуслежени , состо щий из источника опорного синусоидального напр жени , генератора тактовой частоты и двух пороговых элементов, совместно с генератором тактовой частоты управл ющих работой выходного каскада. В данной схеме период модул ции, определ емый тактовым генератором, вл етс величиной посто нной , что позвол ет при выделении первой гармоники, выходного напр жени использо имеющие небольщие массу вать фильтры, и габариты 1. Однако устойчивый режим работы данного преобразовател может быть обеспечен только при определенных услови х и точность воспроизведени на выходе преобразовател синусоидального опорного напр жени оказываетс невысокой. Наиболее близким к изобретению по технической сущности вл етс преобразователь посто нного напр жени в переменное, содержащий выходной инвертор, фильтр и блок управлени ,, в который входит задающий генератор, магнитный усилитель, пороговый элемент, источник опорного напр жени и интегратор. Известна схема преобразовател за счет стабилизации и расширени глубины модул ции позвол ет улучщить массогабаритные показатели фильтра и повысить КПД 2. Однако известный способ формировани импульсного напр жени на выходе инвертора в этой схеме не вл етс оптимальным, поскольку не обеспечиваетс симметри импульсов в течение полуволны выходного напр жени относительно середин полуволн, что обуславливает наличие в выходном напр жении четных гармоник, близких к пер вой. При этом имеет место модул ци , по своим свойствам относ ща с к односторонней модул ции, котора по сравнению с двухсторонней модул цией при одинаковых соотнощени х между несущей частотой и частотой модул ции не обеспечивает минимальной величины искажений модулируемого сигнала. Целью изобретени вл етс снижение массы и габаритов фильтра.путем улучщени спектрального состава выходного напр жени инвертора. Цель достигаетс тем, что в преобразователе посто нного напр жени в переменное , содержащем выходной инвертор, фильтр и блок управлени , в который входит задающий генератор и магнитный усилитель, в блок управлени введен делитель частоты, суммирующий логический узел управлени . цифро-аналоговый преобразователь, магнитный мультивибратор, вспомогательные ключи, причем выходы задающего генератора соединены с синхронизирующим входом магнитного мультивибратора и с входом делител частоты, выход делител частоты св зан с входом суммирующего логического узла управлени , один выход которого подключен к управл ющему входу цифро-аналогового преобразовател , а другой - к управл ющим входам ключей выходного инвертора, рабочие и управл ющие обмотки указанного магнитного усилител первым выводом соединены через вспомогательные ключи с первым выводом выходной обмотки магнитного мультивибратора, соединенный вторым выводом с общей щиной, к которой подключены вторые выводы рабочих обмоток магнитного усилител и первый выходной вывод и цифро-аналогйвого преобразовател , к второму выходному выводу которого подключены вторые выводы управл ющих обмоток магнитного усилител , выходные обмотки Л)торого подсоединены к входу суммирующего логического блока управлени . На фиг. 1 приведена принципиальна схема предлагаемого преобразовател ; на фиг. 2 - временные диаграммы, по сн ющие его работу. Преобразователь состоит из силового каскада и блока управлени . Силовой каскад включает в себ инвертор 1 и фильтр 2. Инвертор 1 может быть выполнен по любой известной схеме, например по схеме с трансформаторной средней точкой, состо щей из силового трансформатора 3 и силовых ключей 4 и 5. Выходна обмотка трансформатора 3 через фильтр 2 подключена к нагрузке 6. Блок управлени содержит задающий генератор (ЗГХ 7, магнитный мультивибратор 8 с трансформатором 9, делитель 10 частоты суммирующий логический блок 11 уп равлени (ЛБУ), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 12, блок 13 обратной св зи (ОС), источник 14 посто нного опорного напр жени и щиротно-импульсный модул тор 15. Один из выходов задающего генератора подсоединен к синхронизирующим входам мультивибратора 8. Второй выход ЗГ 7 через делитель 10 частоты подключен к суммирующему ЛБУ, выход которого, в свою очередь , Подсоединен к .управл ющему вхОду ЦАП. Второй питающий вход ЦАП подключен к выходу блока ОС 13. Входы блока ОС соответственно подключены к источнику 14 посто нного опорного напр жени и к выходу фильтра 2. Широтно-импульсный модул тор 15 содержит два магнитных усилител (МУ) 16 и 17 и вспомогательные ключи 18-21, разт дел ющие рабочие и управл ющие интервалы МУ. Управл ющие входы этих ключей подсоединены к выходам мультивибратора 8. Вместо транзисторных ключей 18-21 можно использовать неуправл емые диодные ключи, однако это приводит к заметному уменьшению диапазона регулировани Одни концы рабочих и управл ющих обмоток подключены через вспомогательные ключи к одному из выводов выходной обмотки 22 трансформатора 9. Второй вывод обмотки 22 подсоединен к шине питани , котора имеет общую точку соединени с одним из выходов ЦАП 12. Вторые концы рабочих обмоток через ограничивающие резисторы 23 и 24 подключены также к щине питани , а вторые концы управл ющих обмоток - к второму выходу ЦАП 12. Выходные обмотки 25 и 26 магнитных усилителей подсоединены к входам ЛБУ. Выходы ЛБУ подключены к управл ющим входам силовых ключей 4 и 5 инвертора 1. Схема работает следующим образом. На обмотке 22 трансформатора 9 формируетс пр моугольное напр жение Цг с периодом Т. Величина этого напр жени пропорциональна напр жению источника, питающего преобразователь (фиг. 2а). Дл упрощени прин то, что величина напр жени Ц}2 I в течение пернрда Т остаетс посто нной и равной его среднему значению U В управл ющем интервале работы МУ 16, когда открыт ключ 19 и закрыт ключ 18, к управл ющей обмотке МУ приложено напр жение , среднее за 7/2 значение которого равно Uyi nUn -Ug, где Un -напр жение питани ; и -коэффициент пропорциональности между Ц, и Ujg; / Ug -среднее за Г/2 значение напр жени , формируемого на выходе ЦАП (фиг. 26). В течение этого интервала под действием напр жени сердечннк МУ перемагничиваетс от индукции насыщени (-bBg) до некоторого значени индукции- В (фиг. 2 в) на величину .лВ, определ емую выражением ,-Bo ibJ,(2) где Q и Wv - площадь поперечного сечени сердечника и число витков уп; равл ющей-обмотки МУ. В рабочем-.иитервале открыт ключ 18, а ключ 19 закрыт. К рабочей обмотке МУ приложено напр жение пЦ,, под действием которого сердечник МУ перемагничиваетс от индукции BO до +BS. Врем перемагничивани сердечника определ етс выражением t ABWpQ U r«TWD,,x hUn - где Wy- число витков рабочей обмотки МУ. В течение этого времени на выходной дбмотке 25 рассматриваемого МУ формируетс положительный импульс напр жени (фиг. 2д) поступающий на вход ЛБУ. Работа магнитного усилител 17 отличаетс от работы МУ тем, что управл ющие и рабочие интервалы сдвниуты на врем полупериода 7/2 работы ЗГ,в результате такого сдвига в управл ющем интервале к управл ющей обмотке МУ приложено напр жение Uys nUn + Ug.(4) Под действием этого напр жени сердечник перемагничиваетс на величину В «°АВ Вс Врем перемагничивани сердечника в рабочем интервале при равно . yy2lWp -2WvnUn В течение этого времени на выходной обмотке 26 рассматриваемого МУ формируетс положительный .импульс напр жени Ui« (фиг. 2е), также поступающий на вход ЛБУ. На выходах ЛБУ формируютс импульсные напр жени U и Us (фиг. 2 ж, з), поступающие на управл ющие входы силовых ключей 4 и 5 инвертора 1. В течение положительной полуволны выходного напр жени /2 импульсы Ц образуютс путем логического суммировани положительных импульсов Uj и импульсов длительностью i (не показаны), дополн ющих положительные импульсы U (длительностью t) до полупериода Т12, а импульсы У представл ют собой инверсию импульсов U4.B течение отрицательной полуволны аналогичным образом образуютс импуль ы U5, а импульсы llj, в свою оче|)едь, представл ют собой их инверсию. На выходной обмотке трансформатора 3 формируетс двухпол рное импульсное напр жение и (фиг. 2 и). Среднее значение этого напр жени за интервал, вл ющийс рабочим дл МУ 16, определ етс выражением U-2mUn(ti-t) 2inUn , 72-2U(r) ВЫХ-jiП-. i где m - коэффициент передачи трансформаторов . Подставл значение tj из выражени (3) получаем U«..,-4fL(,TW, Ml I J fVI I. I XJ. ъ Если Wg 2W,, то UiMti (nUn -Uyt).(9) Подставл сюда значени напр жени Uyj из выражени (1) получаем UBHx/ itU9.(10)CX) The invention relates to electrical engineering and can be used in power supply and electric drive systems for converting a constant voltage to an alternating voltage. A known semi-tracking transducer, consisting of a reference sinusoidal voltage source, a clock frequency generator and two threshold elements, is known in conjunction with a clock frequency generator controlling the operation of the output stage. In this scheme, the modulation period defined by the clock generator is a constant value, which allows for the separation of the first harmonic, the output voltage using lightweight filters, and dimensions 1. However, stable operation of this converter can be ensured under certain conditions, the playback accuracy at the output of the sine-wave reference voltage converter is low. Closest to the invention, the technical entity is a DC / DC converter containing an output inverter, a filter and a control unit, which includes a master oscillator, a magnetic amplifier, a threshold element, a source of reference voltage, and an integrator. The known converter circuit due to the stabilization and expansion of the modulation depth allows to improve the weight and size parameters of the filter and increase the efficiency 2. However, the known method of generating a pulse voltage at the output of the inverter in this circuit is not optimal, because the pulse symmetry is not provided during the half-wave of the output voltage relative to the midpoint of the half-wave, which determines the presence in the output voltage of even harmonics close to the first. In this case, a modulation takes place, in its properties related to one-sided modulation, which, compared to two-way modulation with the same ratios between the carrier frequency and the modulation frequency, does not provide the minimum value of the distortion of the modulated signal. The aim of the invention is to reduce the mass and size of the filter. By improving the spectral composition of the inverter output voltage. The goal is achieved by the fact that in a DC / AC converter, containing an output inverter, a filter and a control unit, which includes a master oscillator and a magnetic amplifier, a frequency divider is added to the control unit, summing up the control logic node. digital-to-analog converter, magnetic multivibrator, auxiliary switches, the outputs of the master oscillator are connected to the clock input of the magnetic multivibrator and to the input of a frequency divider, the output of the frequency divider is connected to the input of a summing control logic node, one output of which is connected to the control input of the digital-analogue the converter, and the other to the control inputs of the keys of the output inverter, the working and control windings of the specified magnetic amplifier are connected by the first output through all secondary keys with the first output of the magnetic multivibrator's output winding, connected by a second output with a common length, to which the second outputs of the working windings of the magnetic amplifier and the first output output and the digital-analogue converter are connected, to the second output terminal of which the second outputs of the control windings of the magnetic amplifier are connected, the output windings L) of which are connected to the input of the summing logic control unit. FIG. 1 is a schematic diagram of the proposed converter; in fig. 2 - time diagrams that show his work. The converter consists of a power stage and a control unit. The power stage includes an inverter 1 and a filter 2. Inverter 1 can be made according to any known scheme, for example, a circuit with a transformer middle point consisting of power transformer 3 and power switches 4 and 5. Output winding of transformer 3 is connected through filter 2 to the load 6. The control unit contains a master oscillator (ZGH 7, magnetic multivibrator 8 with a transformer 9, frequency divider 10 summing control logic unit 11 (LBU), digital-analog converter (DAC) 12, feedback unit 13 source 14 n a reference voltage and a pulse-pulse modulator 15. One of the outputs of the master oscillator is connected to the synchronization inputs of the multivibrator 8. The second output of the SG 7 is connected to the summing ULU via frequency divider 10, the output of which is in turn connected to the control DAC I / O The second power input of the D / A converter is connected to the output of the OS block 13. The inputs of the OS block are respectively connected to the source 14 of the constant reference voltage and to the output of the filter 2. The pulse width modulator 15 contains two magnetic amplifiers (MU) 16 and 17 and auxiliary keys 18–21 separating the working and control intervals of the MU. The control inputs of these keys are connected to the outputs of the multivibrator 8. Instead of transistor switches 18-21, unmanaged diode keys can be used, but this leads to a noticeable decrease in the control range. One ends of the operating and control windings are connected via auxiliary switches to one of the output winding 22 transformer 9. The second terminal of the winding 22 is connected to the power bus, which has a common connection point with one of the outputs of the DAC 12. The second ends of the working windings through the limiting resistors 23 and 24 under They are also connected to the power supply bar, and the second ends of the control windings are connected to the second output of the DAC 12. The output windings 25 and 26 of the magnetic amplifiers are connected to the LBU inputs. The LBU outputs are connected to the control inputs of the power switches 4 and 5 of the inverter 1. The circuit operates as follows. On the winding 22 of the transformer 9, a rectangular voltage Tsg with a period T is formed. The magnitude of this voltage is proportional to the voltage of the source feeding the converter (Fig. 2a). To simplify the assumption that the value of the voltage C} 2 I during the prime T remains constant and equal to its average value U In the control interval of the MU 16, when the key 19 is open and the key 18 is closed, a control voltage is applied to the control winding of the MU the average for 7/2 value of which is Uyi nUn -Ug, where Un is the power supply voltage; and -the coefficient of proportionality between C, and Ujg; / Ug is the average for G / 2 value of the voltage generated at the output of the D / A converter (Fig. 26). During this interval, under the action of the voltage of the heart, the MU re-magnetizes from saturation induction (-bBg) to a certain value of induction-B (Fig. 2c) by the value of .LB, defined by the expression, -Bo ibJ, (2) where Q and Wv - the cross-sectional area of the core and the number of turns; equalizing winding MU. In work-iervale key 18 is open, and key 19 is closed. The working voltage of the PC is applied to the working winding of the MC, under the action of which the core of the MC is re-magnetized from the induction BO to + BS. The time of magnetization reversal of the core is determined by the expression t ABWpQ U r "TWD ,, x hUn - where Wy is the number of turns of the operating winding MU. During this time, a positive voltage pulse (Fig. 2e) arriving at the LBU input is formed at the output terminal 25 of the considered MU. The operation of the magnetic amplifier 17 differs from the operation of the MU in that the control and operating intervals are shifted by half the period 7/2 of the SG operation, as a result of such a shift in the control interval, the voltage Uys nUn + Ug is applied to the control winding of the MU. (4) Under the action of this voltage, the core is re-magnetized by the value of B ° ° AB Sun. The time of the magnetization reversal of the core in the working interval at equal. yy2lWp -2WvnUn During this time, a positive voltage pulse Ui "(Fig. 2e), also entering the LBU, is generated at the output winding 26 of the considered MU. At the outputs of the LBU, pulsed voltages U and Us are formed (Fig. 2 g, h) arriving at the control inputs of the power switches 4 and 5 of the inverter 1. During the positive half-wave output voltage / 2, the pulses C are formed by logical summation of the positive pulses Uj and pulses of duration i (not shown) supplementing the positive pulses U (of duration t) up to the half-period T12, and the pulses Y represent the inversion of the pulses U4.B during the negative half-wave, in a similar way the pulses U5 form, and the pulses llj |) e d, represent their inversion. At the output winding of the transformer 3, a bipolar pulse voltage and is formed (Fig. 2 and). The average value of this voltage over an interval that is operative for MU 16 is determined by the expression U-2mUn (ti-t) 2inUn, 72-2U (r) OUT-jiP-. i where m is the transfer coefficient of the transformers. Substituting the value of tj from the expression (3) we get U ".., - 4fL (, TW, Ml IJ fVI I. I XJ. Ъ If Wg 2W ,, then UiMti (nUn -Uyt). (9) Substituting the voltage values here Uyj from expression (1) we get UBHx / itU9. (10)

За следующий интервал времени, вл ющийс рабочим дл МУ 17, среднее значение выходного напр жени равноOver the next time interval, which is working for MU 17, the average value of the output voltage is

-.()-. ()

(fl)(fl)

2UnW,2UnW,

Подставл значение из выражени (4) при Wy 2Wp получаемSubstituting the value from expression (4) with Wy 2Wp we get

ивых .(12)willows. (12)

Из выражений (10) и (12) видно, что при прин тых-допущени х, среднее значение выходного напр жени инвертора за полупериод 7/2 пропорционально среднему значению напр жени за этот же полупериод и не зависит от напр жени питани преобразовател . Это снижает вли ние нестабильности входного напр жени на выходное , уменьщает искажени формы выходного напр жени , вызванными возмущени ми на входе. Обратна св зь по выходному напр жению (блок 13) обеспечивает стабильность выходного напр жени при изменении тока нагрузки. Если не требуетс высока стабильность выходного напр жени или ток нагрузки посто нен, то обратную св зь можно исключить, подключив на вход ЦАП источник посто нного опорного напр жени .From expressions (10) and (12), it can be seen that under accepted assumptions, the average value of the inverter output voltage over a half period 7/2 is proportional to the average voltage value over the same half period and does not depend on the converter supply voltage. This reduces the effect of input voltage instability on the output voltage, and reduces the distortion of the output voltage form caused by disturbances at the input. The feedback on the output voltage (block 13) ensures the stability of the output voltage when the load current changes. If high stability of the output voltage is not required or the load current is constant, feedback can be eliminated by connecting a constant voltage source to the input of the DAC.

Формирование на выход ЦАП многоступенчатого напр жени производитс таким образом, чтобы его среднее значениеThe formation of a multistage voltage on the DAC output is carried out so that its average value

было пропорционально среднему за тот же период времени значению синусоидального напр жени . Поэтому полезна (средн ) составл юща выходного напр жени инвертора также измен етс по синусоидальному закону.was proportional to the mean value of the sinusoidal voltage over the same period of time. Therefore, the useful (average) component of the output voltage of the inverter also varies sinusoidally.

.Формируемое на выходе инвертора напр жение относитс к щиротно-импульсной модул ции третьего рода, имеющей минимальные искажени повтор емого «апр жени Uj. Кроме того, это импульсное напр жение симметрично относительно середины полуволны выходного напр жени , поэтому в своем спектре оно не содержит четных гармонических составл ющих, расположенных близко к основной гармонике. При этом содержание нечетных гармоник, расположенных близко к основной, также значительно меньше, чем при других видах модул ции .The voltage generated at the output of the inverter is related to the third-kind pulse-width modulation, having minimal distortion of repetitive apr Uj. In addition, this pulse voltage is symmetrical about the center of the half-wave of the output voltage, therefore, in its spectrum it does not contain even harmonic components located close to the fundamental harmonic. At the same time, the content of odd harmonics located close to the main one is also significantly less than with other types of modulation.

Таким образом, по отношению к известному предлагаемый преобразователь позвол ет при одинаковых соотношени х между частотой модул ции и частотой выходного напр жени , а следовательно, и одинаковых потер х мощности на переключение в силовом каскаде получить высокое качество выходного синусоидального напр жени при минимальных массе и габаритах выходного фильтра.Thus, with respect to the known, the proposed converter allows, with the same ratios between the modulation frequency and the output voltage frequency, and hence the same switching power losses in the power stage, to obtain a high quality of the output sinusoidal voltage with minimum weight and dimensions output filter.

-ьto

Claims

A DC / DC converter to AC, containing an output inverter, a filter and a control unit, which includes a master oscillator and a magnetic amplifier, characterized in that, in order to reduce the mass and dimensions by improving the spectral composition of the inverter output voltage, a frequency divider is introduced into the control unit, a summing control logic node, a digital-to-analog converter, a magnetic multivibrator, auxiliary keys, the outputs of the master oscillator being connected to a synchronizing input of an agitational multivibrator and with the input of the frequency divider, the output of the frequency divider is connected to the input of the summing control logic node, one output of which is connected to the control input of the digital-to-analog converter, and the other to the control inputs of the keys of the output inverter, the working and control windings of the specified magnetic amplifier with the first output connected through auxiliary keys to the first terminal of the output winding of the magnetic multivibrator connected by the second terminal to a common bus to which the second terminals are connected working windings of the magnetic amplifier and £ the first output terminal of the digital-to-analog L converter, to the second output terminal of which the second terminals L of the control windings of the magnetic amplifier are connected, the output windings of which are connected to the input of the summing logic control unit.