SU917286A1 - Преобразователь посто нного напр жени в переменное синусоидальной формы - Google Patents

Description

I

Изобретение относитс  к электротехнике , а более конкретно к преобразовател м посто нного напр жени  в переменное, Такие преобразователи широко примен ютс  в электроприводе дл  питани  датчиков и других устройств автоматики и телемеханики.

Известны полупроводниковые преобразователи посто нного напр жени  в переменьюе напр жение синусоидальной формы, в которых формирование выходного напр жени  осуществл етс  путем двухпол рной широтно-импульс ной модул ции. Дл  таких преобразователей характерно высокое качество выходного напр жени  (низкий коэффициент гармоник) после фильтрации, относительно высокий КПД, простота построени  силовых каскадов и управлени  ими.

Широкое распространение получили преобразователи, у которых модул ци  производитс  по синусоидальному закону г 1J.

Известны преобразователи с двухпол рной модул цией, работающие по принципу полуслежени  и слежени  за опорным (эталонным) сигналом. В преобразователе с полуслежением устройство управлени  состоит из источника опорного синусоидального напр жени , генератора тактовой частоты, интегратора-сумматора и двух пороговых- элементов , совместно с генератором так10 товой частоты управл ю 1ИХ работой выходного инвертора L21.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности  вл етс  преобразователь , содержащий выходной

15 инвертор, согласующий каскад и схему управлени , включающую в себ  источник опорного напр жени , пороговый элемент и интегратор, вход которого подключен к последовательно сое20 диненным источнику опорного напр жени  и обмотке обратной св зи выходного трансформатора инвертора, а выход - к входу порогового элементаC3i.

Недостатком известного преобразовател   вл етс  трудность обеспечени  глубины модул ции, что не по; звол ет получить оптимальные фильтоы . Кроме того, не обеспечиваетс  высока  стабильность выходного напр жени  при переменной нагрузке.

Цель изобретени  - улучшение мас согабаритных характеристик и повышение КПД путем стабилизации частоты и увеличени  глубины модул ции,

Указанна  цель достигаетс  тем, что в схему управлени  преобразовател  введен дополнительный интегратор напр жени , вход этого интегратора подключен к обмотке- выходного трансформатора, выход - к второму входу порогового элемента, параллельно конденсатору интегратора включен транзисторнь|й ключ, на третий . вход порогового элемента через диод подключен один конец дополнительной обмотки трансформатора, другой конец которой подсоединен к точке соединени  источника опорного напр жени  и обмотке обратной св зи трансформатора согласно с последней, параллельно входу порогового элемента, св занному с выходом основного интегратора, подключен другой транзисторный ключ, при этом к управл ющим входам указанных транзисторных ключей подключены противофазно обмотки выходного трансформатора.

На фиг. 1 приведена схема преобра зовател ; на фиг. 2 - диаграммы, по сн ющие работу схемы.

Преобразователь состоит из силового инвертора и схемы управлени . Инвертор выполнен по двухтактной схеме с выводом средней точки и содержит выходной трансформатор 1 и транзистоные ключи 2 и 3. Однако инвер-тор может , быть выполнен и по любой другой схеме. Инвертор подключен к входным выводам источника питани .

Схема управлени  содержит источник 4 опорного напр жени  синусоидалной формы, интегратор 5, дополнительный интегратор 6 и пороговый элемент 7- Интеграторы выполнены на базе интегральных операционных усилителей с емкостной обратной св зью, хот  возможно применение любых интеграторов напр жени , например резистивно-емкостных цепочек. Одна клемма источника опорного напр жени  подключена к общей шине схемы управл/

ни ,друга  - к общей точке согласно включенных обмоток 8 и 9 выходного трансформатора 1. Вторым концом обмотка 9 подключена к входу интегратора 5, а обмотка 8 через диод 10 к входу порогового элемента 7- Число витков обмотки 8 и 9 одинаково. Выход интегратора 5 через резистор 11 подключен на вход порогового элемента 7, который через транзистор 12 подключен к общей шине схемы управлени . Управл ющий вход транзистора 12 подключен к обмотке 13 трансформатора . К входу дополнительного интегратора 5 подключена обмотка 14 трансформатора 1. Параллельно конденсатору дополнительного интегратора 6 подключен разр жающий транзистор 15 управл ющий вход которого подключен к обмотке 16 трансформатора 1. Обмотки 13 и 16 подключены к базам соответствующих транзисторов противофазно . Выход дополнительного интегратора 6 подключен к входу порогового элемента (ПЭ), в качестве которого использовдн операционный усилитель с положительной обратной св зью, обладающий релейной характеристикой с гистерезисом (вид характеристики приведен на фиг. 2а ). Один порог срабатывани  (Unpp ) равен нулю, другой (Unopa ) отличен от нул . Выход ПЭ подключен к согласующему каскаду 17, который согласует по мощности и пол рности выход порогового элемента и управл ющие входы транзисторов 2 и 3.

Преобразователь работает следую-, щим образом.

Когда открыт транзистор 2 и закрыт транзистор 3 инвертора (интервал t/i), разр жающий транзистор 15 заперт напр жением на обмотке 16, происходит интегрирование напр жени  (положительного) обмотки 1,, приложенного к входу дополнительного интегратора 6. Выходное напр жение дополнительного интегратора 6 измен етс  в соответствии с выражением

-t Uy(t) -ЗЛ K(Uon -AUo)dt,(l)

в

где S - коэффициент передачи дополнительного интегратора 6;

K V/4/I/O - коэффициент трансформации;

Wof число витков первичных обмоток трансформатора 1;

W/( - число витков обмотки . AUp - падение напр жени  на силовых транзисторах и первичной обмотке инвертора.

Крива  изменени  напр жени  Uu-t при Uffl const показана на фиг. 24 . Вход порогового элемента, подключенный к интегратору 5, в течение интервала t, зашунтирован открытым транзистором 12. Поэтому на пороговом элементе воздействуют отрицательное напр жение Ui и положительное напр жение, приложенное через диод 10 и равное алгебраической сумме напр жени  на обмотке 8 (U-f) и опорного напр жени  (Upj). Дл  нормальной работы схемы необходимо, чтобы напр жение на обмотке 8 по величине всегда было больше опорного напр жени  {/U/J/ /Uon/); В этом случае величина (U;| Uon ) в интервале t положительна при любой пол рности Ugn

Величина напр жени  Уд определ етс  выражением

U-, K2.(Un - ), . где K2 W2/Wo - коэффициент трансформации; W - число витков обмоток

и 9 трансформатора. Пока выполн етс  условие

Uocil им1

пороговый элемент находитс  в состо нии , соответствующем верхней ветви характеристики (фиг. 2а). Положительное напр жение на выходе порогового элемента через согласующий каскад поддерживает открытым транзистор 2 и закрытым - транзистор 3 инвертора .

На входе интегратора 5 в течение интервала t действует отрицательное напр жение, равное разности напр ж ени  на обмотке 9 (также U) и напр жени  Uan . Выходное напр жение этого интегратора измен етс  по закону . t

UuiCt) S f K2.(Uu - ДУо) в + Uua{0), (2)

где Sz - коэффициент переда

чи интегратора 5 Uua (n)Uui() -значение и. в нйчале интервала

Диграмма изменени  напр жени  U показана на фиг. 2Д.

Когда при t tf напр жение (J достигаетс  .по абсолютной величине значени  (U(j(). т-е. наступает, равенство

U;r(t)-Uoa(t)f UuHtJ

0,(3)

ПЭ срабатывает, запирает транзистор и отпирает транзистор 3, происходит смена пол рности напр жений на всех обмотках трансформатора 1 и на нагрузке k (фиг. 2,). Формирование интервала t закончено, начинаетс  интервал tj.. .

Из соотношений (1) и (З) имеем

S / K(Uu-AUjdt

- AUc,)Uon (t,) (k)

Напр жение на выходе интегратора в конце интервала t равно

-Ь

Uui{t) Sa У , - AUo) О

i - + Uoi(O)(5J

После переключени  схемы транзистор 15 отпираетс  и разр жает конденсатор дополнительного интегратора 6, на выходе последнего устанавли ваетс  нулевое напр жение. Диод 10 запираетс  разностью напр жений U и DOCX Транзистор 12 также запираетс  и выход интегратора 5 подключаетс  на вход порогового элзмента.

На входе и-нтегратора 5 действует сумма напр жений U и Uon , эта сумма положительна, так как U,t lUm) .

Выходное напр жение интегратора 5 {измен етс  согласно выражению

Uu2(t) -52 rCK2(Uu - лУо) +

i:

+ Ubnldt + Uu2.(t4)

Когда это напр жение достигаетс  значени  . срабатывает, запирает транзистор 3 и отпирает транзистор 2 инвертора. Формирование интервала t2 закончено.

Далее описанный процесс циклически повтор етс .

В конце интервала ta. i.+t,

Uu() .() + t-i

;+ Uofrldt tUtJ2.(t) (7) Поскольку Ui)2(t4+-t2.)Uui(0) Ч1пор2. О выражений (5) и (7) имеем / LK2(Ur,-u.Uo) - Uotjdt / K2.(U(-&Uo) + Uotildt , (8 . t. где Т tyj + t2 - период модул ции. Среднее значение выходного напр жени  преобразовател  за период мо дул ции Т равно 1/д t-A. изыу.о. (Ua -&Uo)dt - /(Un - AUjdt , где K2 W3/Wc, - коэффициент трансфо мации ; Wj г число витков выходно обмотки трансформат ра. Преобразовав выражение (8) /(Uu -i.Uo)dt ( )dt -L . K L/Uon fj Uondt t/i левую часть полученного и подставив (9), получим уравнени  в TT: Uan.cp., ых.й - K где Uon.cp. -jJUondt - среднее значение опорного напр жени  за период модул ции. / Из последнего выражени  видно, что среднее за период модул ции зна чение выходного напр жени  преобразовател  пропорционально среднему значению опорного напр жени . Поскольку Uoq измен етс  по синусоудальному закону (фиг. 2,S), то и среднее за интервал Т значение выхо ного напр жени  измен етс  по синус идальному закону (фиг. 2( , пунктир Из выражени  (10) также видно, что выходное напр жение не зависит от величины напр жени  питани , бла годар  чему обеспечиваетс  стабилизаци  даже в случае, если опор 68 ное напр жение имеет посто нную величину , т.е. обратна  св зь по выходному напр жению отсутствует. Кроме того, на величину выходного напр женй  не вли ют падени  напр жени  на силовых транзисторах инвертора и на первичных обмотках трансформатора, учтенные параметром aUj. Если же организовать контур обратной св зи и воздействовать на величину UQCV в функции отклонени  иеых от номинального значени , то стабильность преобразовател  значительно повыситс . Следует отметить, что на стабильность выходного напр жени  не вли ет изменение параметров схемы управлени , в частности интеграторов и порогового элемента. Поскольку . ftp не зависит от величины DU, то в предлагаемом преобразователе форма выходного напр жени  мало зависит от уровн  и формы пульсаций напр жени  питани . Это особенно важно, если преобразователь питаетс  от выпр мител  с большими пульсаци ми напр жени  или от источника с высоким уровнем помех. Период модул ции Т приближенно можно определить следующим образом. Если положить, что UUL const, в течение Т величина опорного напр жени  в момент времени t t/j мало отличаетс  от его среднего значени  за период модул ции -Uan (t) f Uon.cp,,. то из выражени  С)получим Ki(Urt - u,Ua)4- Uon.cp ,, -дУо) тех. же допущенных Ke(Ufr-uJJa) - Uon.c. K2.(Uii -дУоп) Uoa.c-9. (11) выражение дл  С учетом примет вид Ка.(Ц|Г.-&Цо) - Цоп.д. S K lUp-дУ.) (13) получим Тогда из (11)и 2К2. Т t 4- tg Таким образом, период модул ции определ етс  только параметром схемы и не зависит ни от опорного, ни от входного напр жени . Это  вл етс  существенным преимуществом изобретени , поскольку представл етс  возможным использовать дл  выделени  основной и подавлени  высших гармоник выходного напр жени  оптимальный фильтр.

991

Работа преобразовател  обеспечиваетс  в широком диапазоне параметров всех элементов. Единственным ограничением  вл етс  указанное выше условие: lK2(Un-&Uo ) j ( U(xj |. Однако , если величина Uori близка к величине K2L(Uo - iUo), то схема работает нормально и все полученные соотношени  выполн ютс . Это позвол ет довести амплитуду опорного напр жени  до значени , мало отличающегос  от K2(Uy. - uUo). Диапазон изменени  интервалов t;|; и t в процессе формировани  синусоиды в этом случае близок к периоду модул ции Т, что видно из выражений (П) и (13), и принципиально может быть достугнут теоретический предел глубины модул ции . Это позвол ет максимально использовать по мощности выходной каскад и получить высокий КПД преобразовани .

Таким образом, предлагаемый преобразователь практически не отлича сь по сложности от известного (обе схемы имеют одинаковое количество функциональных элементов), лишен главных его недостатков. В нем обеспечиваетс  посто нство частоты мо дул ции и максимально возможна  глубина модул ции. Это, в свою очередь, позвол ет значительно улучшить массогабаритные показатели преобразовател  за счет оптимизации выходного фильтра и повысить КПД. Кроме того, в предлагаемом преобразователе обеспечиваетс  хорошее воспроизведение на выходе формы опорного напр жени  и не представл ет сложность введени  отрицательной обратной св зи непОcpieдcтвeннo п.о напр жению на нагрузке , если последн   подключена к инвертору через фильтр. Формула-изобретени 

Преобразователь посто нного напр жени  в переменное синусоидальной

610

формы, содержащий выходной инвертор, согласующий каскад и схему управлени , выполненную на источнике опорного напр жени , пороговом элементе и интеграторе, вход которого подключен- к последовательно соединенным источнику опорного напр жени  и обмотке обратной св зи выходного трансформатора инвертора, а выход - к входу порогового элемента, о т л и - . чающийс  тем, что, с целью улучшени  массогабаритных характеристик и повышени  КПД путем стабилизации частоты и увеличени  глубины

модул ции, в схему управлени  введен дополнительный интегратор напр жени , вход этого интегратора подключен к обмотке выходного трансформатора, выход - к второму входу порогового элемента , параллельно конденсатору интегратора включен транзисторный ключ, на третий вход порогового элемента че .рез диод подключен один конец дополнительной обмотки трансформатора,

другой конец которой согласно с обмоткой обратной св зи подключен к точке ее соединени  с источником опорного напр жени  , параллельно входу порогового элемента, св занному с выходом основного интегратора, подключен другой транзисторный ключ, при этом к управл ющим входам указанных транзисторных ключей подключены противофазно обмотки выходного трансформатора .

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Сборник Проблемы преобразовательной техники. К., Наукова дум1979 , вып. 5, с. 175.

ка

2. Сборник Устройства преобразовательной техники. К., 1970, вып., с. 113-125.

3. Патент США № 3710229, кл. Н 02 М 1/12, 1973.

ГЧ

иг.1

nop.

Claims (1)

1. Преобразователь постоянного на- 45 пряжения в переменное синусоидальной

   917286 10 формы, содержащий выходной инвертор, согласующий каскад и схему управления, выполненную на источнике опорного напряжения, пороговом элементе и интеграторе, вход которого подключен· к последовательно соединенным источнику опорного напряжения и обмотке обратной связи выходного трансформатора инвертора, а выход - к входу порогового элемента, о т л и - .

   чающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных характеристик и повышения КПД путем стабилизации частоты и увеличения глубины модуляции, в схему управления введен дополнительный интегратор напряжения, вход этого интегратора подключен к обмотке выходного трансформатора, выход - к второму входу порогового элемента, параллельно конденсатору ин-^т тегратора включен транзисторный ключ, на третий вход порогового элемента через диод подключен один конец дополнительной обмотки трансформатора, другой конец которой согласно с обмоткой обратной связи подключен к точке ее соединения с источником опорного напряжения , параллельно входу порогового элемента, связанному с выходом основного интегратора, подключен другой транзисторный ключ, при этом к управляющим входам указанных транзисторных ключей подключены противофазно обмотки выходного трансформатора.