SU731532A1 - Преобразователь посто нного напр жени в квазисинусоидальное переменное - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к области преобразовательной техники и может быть использовано дл  построени  вторичных источников питани  устройств электроавтоматики и электроприводов переменного тока малой мощности (до единиц кВА), работающих как на переменную, так и на посто нную нагрузку в тех случа х, когда требуетс  согласование уровней напр жений питающей сети и потребител , а также повышенное качество преобразованной электрической энергии и приемлемые массо-габаритные показатели источника.

Регулирование частоты и напр жени , а также повышение качества энергии на выходе статических преобразователей реализуетс  в автономных инверторах напр л ени  путем различных видов модул ций. Наибольшее распространение получили широтно-имиульсна  модул ци  (ШИМ) и амплитудно-импульсна  модул ци  (АИМ). Эти методы формировани  напр жени  основаны или на изменении (модул ции) длительности отдельных импульсов равной амплитуды (ШИМ), или на изменении (модул ции) амплитуды и длительности ступеней (АИМ).

Перспективиым сиособом улучшени  гармонического состава выходного напр жени  инверторов  вл етс  АИМ. АИМ. дл 

обеспечени  одинакового с ШИМ качества преобразованной электрической энергии реализуетс  с меньшими коммутационными нотер ми за счет меньшего числа тактовых

5 интервалов и реализуетс  более простой системой управлени .

Известны инверторы с АИМ, обесиечиваюшие формирование выходного напр жени  с малыми искажени ми {, 2, 3.

10 Инверторы с АИМ по схемному признаку можно разделить на три класса. К первому классу относ тс  инверторы, в которых ступенчатое напр жение формируетс  путем поочередного подключени  с помощью

15 ключей отпаек обмоток трансформатора, работающего на выходной частоте 4.

Ко второму классу относ тс  инверторы, формирующие ступенчатое напр жение за счет использовани  нескольких источников

20 питани  с различными уровн ми напр жени  пптани  5.

Общим недостатком схем инверторов, относ щихс  к первому классу,  вл етс  наличие трансформатора, работающего на

25 выходной частоте, и имеющих поэтому неприемлемые массо-габаритные показатели. Недостатком второго класса инверторов  вл етс  их сложность, необходимость иметь несколько гальванически разв зан30 ных источников питани  или наличие выходных трансформаторов, по крайней мере, один из которых работает на выходной частоте .

В значительной стенени свободны от этих недостатков инверторы с промежуточным звеном высокой частоты, относ щиес  к третьему классу 6.

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

Наиболее близким ио существу технического решени   вл етс  преобразователь, относ щийс  к третьему классу . Он содержит однофазный инвертор высокой частоты , выход которого подключен к первичной обмотке согласующего высокочастотного трансформатора, вторична  обмотка которого выполнена со средним выводом и отпайками, расноложенными симметрично относительно среднего вывода, и образующими вместе с двум  концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, коммутатор на N управл емых ключах, поочередно переключающих отпайки на вторичной стороне трансформатора, и блок управлени . Блок управлени  включает в себ  задающий генератор и многоканальный распределитель импульсов, св занный с управл ющими входами ключей коммутатора. Выходные выводы преобразовател  образованы средним выводом вторичной обмотки трансформатора и точкой объединени  одних силовых концов управл емых ключей коммутатора, а другие силовые концы этих ключей соединены с выходными выводами трансформатора. В этом случае можно повысить частоту напр жени  на первичной обмотке трансформатора и, следовательно, улучшить его массо-габаритные показатели . Рабоча  частота трансформатора в известном решении нревыщает частоту напр жени  в нагрузке в Л раз (JV/2 - число ступеней на четверти периода выходного напр жени  преобразовател ).

Дл  достижени  высокого качества напр жени  на выходе преобразовател  приходитс  нерационально увеличивать число управл емых ключей коммутатора, что усложн ет решение и  вл етс  недостатком такого типа преобразователей.

Цель изобретени  - уменьшение коэффициента гармоник выходного напр жени  преобразовател  без увеличени  числа ключей коммутатора.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известном преобразователе посто нного напр жени  в квазисинусоидальное переменное , содержащем однофазный инвертор высокой частоты, выход которого подключен к первичной обмотке согласующего высокочастотного трансформатора, вторична  обмотка которого выполнена со средним

выводом и отпайками, образующими вместе с двум  концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, коммутатор на N управл емых ключах и блок управлени , включающий в себ  задающий генератор и многоканальный распределитель имнульсов , св занный с управл ющими входами ключей коммутатора, причем выходные выводы преобразовател  образованы средним выводом вторичной обмотки трансформатора и точкой объединени  одних силовых концов унравл емых ключей коммутатора , а другие силовые концы этих ключей соединены с выходными выводами трансформатора, распределитель импульсов выполнен 2Л/ -канальным, его выходные каналы св заны с управл ющими входами ключей однофазного инвертора высокой частоты через узел формировани  управл ющих сигналов, обеспечивающий подачу управл ющих импульсов на ключи этого инвертора дл  формировани  его выходного напр жени  и нодачу управл ющих импульсов на смежные ключи инвертора, т. е. на ключи, подсоединенные к общей точке цепи питани , дл  формировани  пауз в выходном нанр жении, каждый выходной i-ый канал распределител  из числа (N-1) совместно с ()-ым каналом св зан также с управл ющим входом соответствующего ключа коммутатора через логический элемент ИЛИ, причем управл ющие входы ключа подсоединены к отпайке с минимальным числом витков, св заны через логический элемент ИЛИ не только с 1-ым и (2N-1)-ым, но и с каналом распределител , а число витков f-ro выходного вывода трансформатора с числом витков его выходного вывода св зано соотношением

sinW

2N

N

где N - число ключей коммутатора, равное числу ступеней на четверти периода выходного напр жени  преобразовател ;

, 2, ..., N - номер выходного вывода трансформатора нри отсчете от среднего вывода его вторичной обмотки попеременно в одну и другую от него сторону в направлении увеличени  числа витков отпаек.

Узел формировани  управл ющих сигналов однофазного инвертора высокой частоты содержит два триггера и логические элементы И и ИЛИ, входы обоих триггеров объединены и вместе со входами Л -входового и (N-1)-входового элементов ИЛИ образуют входы узла формировани  управл ющих сигналов, причем входы Л-входового логического элемента ИЛИ св заны с нечетными каналами распределител  импульсов , при отсчете от первого канала, входы (N-1)-входового логического элемента ИЛИ св заны с четными каналами распределител  импульсов, а входы триггеров - с 2JV-biM его каналом, одни входы второго и третьего двухвходовых логических элементов И подключены к пр мому выходу одного триггера, одни входы первого и четвертого двзхвходовых 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 ()входового и Л -входового логического элементов ИЛИ, выходы первого, второго и третьего , четвертого логических элементов И попарно св заны 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 принципиальна  схема силовой части предлагаемого преобразовател  дл  случа  на фиг. 2 - блок управлени  этим преобразователем; на фиг. 3 - временные диаграммы, по сн ющие принцип работы преобразовател  по фиг. 1; на фиг. 4 - временные диаграммы, по сн ющие принцип работы регулируемого по напр жению варианта преобразовател  по фиг. 1; на фиг. 5 - зависимость коэффициента гармоник выходного иапр жени  преобразовател  от числа ступеней (N) на четверти периода его выходного напр жени .

Рассмотрим конкретный пример предлагаемого преобразовател  с , т. е. когда коммутатор преобразовател  имеет четыре управл емых ключа и крива  напр жени  на выходе преобразовател  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 вторична  обмотка 8 выполнена со средним выводом 9 и отпайками 10, И, образующими вместе с двум  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 преобразовател  образованы средним выводом 9 вторичной обмотки 8 трансформатора и точкой объединени  других силовых концов управл емых ключей коммутатора 18.

Блок управлени  19 (см. фиг. 2) содержит задающий генератор 20, многоканальный распределитель 21 импульсов и узел 22 формировани  управл ющих сигналов.

Задающий генератор 20 подключен к многоканальному распределителю 21 импульсов , который выполнен восьмиканальным , причем первый его канал совместно с седьмым и восьмым, второй совместно с щестым, третий совместно с п тым и четвертым св заны с управл ющими входами соответственно ключей 15, 16, 14, 17 коммутатора 18 через логические элементы ИЛИ. Распределитель 21 импульсов св зан также с управл ющими входами ключей 2-5 высокочастотного инвертора 1 через узел 22 формировани  управл ющих сигналов . Узел формироваин  22 управл ющих сигналов выполнен в виде щести двухвходовых логических элементов И 23-28, щести двухвходовых логических элементов ИЛИ 29-34, одного трехвходового 35 и одного четырехвходового 36 логических элементов ИЛИ и двух триггеров 37 и 38.

Входы триггеров 37 и 38 объединены и вместе с входами элементов 35 и 36 образуют входы узла формировани  управл ющих сигналов 22. Выходы триггера 37 и элементов 35, 36 через элементы И 23-26 св заны со входами логических элементов ИЛИ 29, 30, выходы которых подключены к одному из входов логических элементов ИЛИ 31-34. Вторые входы элементов 31 - 34 с выходами логических элементов И 27, 28, входы которых нодключены к выходам и входу триггера 38. Выходы элементов ИЛИ 31-34 св заны с управл ющими входами ключей 2-5 однофазного инвертора I через буферные усилители 39.

Принцип формировани  ступенчатого выходного напр жени  по сн етс  на фиг. 3, где показаны ТИ (тактовые импульсы) па выходе задающего генератора 20. t/2-Us - сигналы управлени , подаваемые на управл ющие входы ключей 2-5 инвертора 1;

f/2 4 35 - №& дополнительные последовательности импульсов управлени , подаваемые на ключи 2-5;

t iiarp - форма выходного напр жеНИН преобразовател ;

Ui тр - форма напр жени  на первичной обмотке 6 трансформатора 7;

- сигналы управлени , подаваемые на управл ющие

входы ключей 14-17 коммутатора 18.

При подключении питани  к блоку управлени  и силовой части преобразовател  и замыкани  ключей 3, 4 инвертора 1 на первичной обмотке 6 согласующего высокочастотного трансформатора 7 формируетс  отрицательный импульс напр жени  t/i тр. Пол рность обмоток трансформатора такова , что при замыкании ключа 15 коммута7

тора 18 на иагрззке формируетс  перва  ступень положптельной полуволны выходного напр жени  f/nai-p. При замыкапии ключей 2 и 5 инвертора 1 па обмотке 6 формируетс  положительный пмнульс напр жени  С/1 тр. Замыканием ключа 16 формируют вторую ступень выходного напр жени . Дальнейшее формирование ступеней происходит аналогично в соответствии с временными диаграмА1ами, представленными на фиг. 3.

Дл  формировани  паузы меладу полуволнами выходного напр жени  с помощью триггера 38 и логических элементов И 27, 28 выдел ют две дополнительные последовательностн импульсов 2 4 з s. с частотой , равной выходной частоте преобразовател , сдвинутые между собой на угол  .

В соответствии с последовательност ми имнульсов бз 4 35 замыкают пары

соседних ключей 2, 4 и 3, 5 однофазного инвертора 1, нринадлежаш,их разным его стойкам, тем самым подключа  первичную обмотку 6 согласующего трансформатора 7 к общей точке цени питани .

Ценой некоторого усложнени  устройства управлени  можно построить вариант преобразовател  с регулированием длительности импульсов выходного напр жени . Регулирование может осуществл тьс  в каждом из силовых звеньев преобразовател : в инверторе, в трансформаторе или в коммутаторе. С точки зрени  уирои1,ени  системы управлени , рациональней регулировать напр жение в инверторе.

Простейший алгоритм управлени  ключами инвертора, обесиечиваюпиш регулирование длительиости импульсов выходного напр жени , основан на том, что широтное регулирование вводитс  на каждом интервале квантовани  выходного напр жени . Принцип его но си етс  временными диаграммами на фиг. 4, где показаны:

Uz-r-Uy - сигналы управлени , подаваемые иа управл ющие входы ключей 2-5 инвертора 1;

,4 35-№Q дополнительные носледовательности импульсов управлени , подаваемые на ключи 2-5;

С/1 тр - форма напр жени  на первичной обмотке 6 трансформатора 7;

С/нагр - форма выходного напр жени  преобразовател ; - сигналы управлени , подаваемые на управл ющие входы ключей 14-17 коммутатора 18.

АИМ может осуществл тьс  с разным числом ступеней на четверти периода вы8

ходного напр жени  преобразовател , с четным или нечетным чнслом переключений (п) ключей коммутатора на иолупериоде выходного напр жени , а также с пауЗОЙ между полуволнами выходного напр жепи  или без нее.

В известном решении, прин том за прототип , ступенчатое нанр жение формируетс  с четным п и без паузы между нолуволнами выходного напр жени . В результате количество силовых ключей коммутатора равно удвоенному числу ступеней на четверти иериода выходного наир женн . В предлагаемом преобразователе выходное напр жение формируетс  с нечетным числом п и с паузой между полуволнами выходного напр жени . В этом случае число ключей коммутатора равно числу стененей на четверти периода выходного напр жени  и при равном с прототипом числе управл емых ключей коммутатора предлагаемый преобразователь имеет меньший коэффициент гармоник выходного нанр жеии , так как при том же числе ключей удаетс  увеличить число ступеней на полунериоде выходного напр жени .

Так при числе ключей коммутатора Л 4 известное решение имеет коэффициент гармоник ,23 и формирует двухступенчатое напр жепие без паузы между его полуволнами. Предлагаемый преобразователь при том же числе ключей имеет К,- 0,133 н формирует четырехступенчатое нанр жение с паузой.

Предложенный преобразователь может примен тьс  во всех тех случа х, когда требуетс  преобразование посто нного напр жени  одного уровн  в однофазное напр жение другого уровн  заданной фиксированной частоты.

В нрннципе, выходную частоту можно регзлировать за счет изменени  частоты задающего генератора. Диапазон регулировани  при этом ограничен нижией рабочей

частотой согласующего трансформатора.

В качестве полностью управл емых ключей с двусторонней проводимостьх, нримеиенных в коммутаторе, могут быть использованы или встречио-иараллсльно

включеиные унравл емые ключи (транзисторы или тиристоры), или диодные мосты с управл емыми ключами на их выходах.

Целесообразное число ступеней Л выбираетс  в каждом случае применени  в зависимости от требовани  к искажению выходного напр жени .

Зависимость коэффициента гармоник выходного напр жени  от числа ступеней, позвол юща  осуществить выбор числа N

в каждом конкретном случае, представлена

на фиг. 5.

Claims (7)

1. Преобразователь посто нного напр жени  в квазисннусоидальное переменное.

содержащий однофазный инвертор высокой частоты, выходом нагруженный на первичную обмотку согласующего высокочастотного трансформатора, вторична  обмотка которого выполнена со средним выводом и с отпайками, образующими вместе с двум  концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, коммутатор на N управл емых ключах и блок управлени , включающий в себ  задающий генератор и многоканальный распределитель импульсов, св занный с управл ющими входами ключей коммутатора, причем выходные выводы преобразовател  образованы средним выводом вторичной обмотки трансформатора и точкой объединени  одних силовых концов управл емых ключей коммутатора, а другие силовые концы этих ключей соединены с выходными выводами трансформатора, отличающийс  тем, что, с целью уменьщени  искажений выходного напр жени  без увеличени  числа ключей коммутатора , распределитель импульсов выполнен 2Л-капальиым, его выходные каналы св заны с управл ющими входами ключей однофазного инвертора высокой частоты через узел формировани  управл ющих сигналов , обеспечивающий подачу управл юП1 ,их импульсов на ключн этого инвертора дл  формировани  его выходного напр жени  и подачу управл ющих импульсов на смежные ключи инвертора дл  формировани  в выходном напр жении пауз, каждый выходной г-ый канал распределител  из числа () совместно с (2N-г)-ым каналом св зан также с управл ющим входом соответствующего ключа коммутатора через логический элемент ИЛИ, причем управл ющие входы ключа, иодсоединенного к отпайке с минимальным числом витков, св заны через логический элемент ИЛИ не только с 1-ым и (2Л-1)-ым, но и с каналом распределител , а число витков г-го выходного вывода трансформатора с числом витков его N-ro выходного вывода св зано соотнощением:

sm,

NIN

гдеЛ - число ключей коммутатора , равное числу ступеней на четверти периода выходного преобразовател ;

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

от него сторону в направлении увеличени  числа витков.

2.Преобразователь по п. I, отличающ и и с   тем, что узел формировани  управл ющих сигналов однофазного инвертора высокой частоты содержит два триггера и логические элементы И и ИЛИ, входы обоих триггеров объединены и вместе со

входами Л/-входового и ()-входового элементов ИЛИ образуют входы узла формировани  управл ющих сигналов, причем входы yV-входового логического элемента ИЛИ св заны с нечетными каналами распределител  импульсов, при отсчете от первого канала, входы (N-1)-Бходового логического элемента ИЛИ св заны с четными каналами распределител  импульсов, а входы триггеров - с 2;V-HbiM его каналом, одни входы второго и третьего двухвходовых логических элементов И подключены к пр мому выходу одного триггера, одни входы 1-го и 4-го двухвходовых логических элементов И подключены к инверсному выходу этого триггера, другие входы 1-го, 3-го и 2-го, 4-го двухвходовых логических элементов И попарно подключены к выходам соответственно (Л-1)-входоБОго и yV-входового логических элементов ИЛИ, выходы

1-го, 2-го и 3-го, 4-го логических элементов И попарно св заны через логические элементы ИЛИ с одними входами соответственно 1-го, 2-го и 3-го, 4-го логических элементов ИЛИ, ко вторым входам 1-го, 3-го

и 2-го, 4-го этих логических элементов ИЛИ соответственно подключены выходы двух двухвходовых логических элементов И, входы которых соединены с входом триггеров н выходами второго триггера.

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авт.свид. СССРН 02М5/42 № 436419, 1972.

2. Патент США, кл. 321-9, № 3652918, 1975.

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

4.Авт. свид. СССР Н 02М 7/48 Я 280R29. 1968.

5.Авт. свид. СССР Н 02М5/48,№414МЯ 1971.

6.Авт. свид. СССРН 02 М 5/42 №. 449425, 1971.

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

Т1ПЛ

ЛУГ

2.

18

Л°15

JLJc

нагр.

г, 7Г

i С Э

;з

J

Фиг.З

fazA