SU959239A1 - Способ преобразовани посто нного напр жени в переменное с регулированием его величины и устройство дл преобразовани посто нного напр жени в регулируемое переменное - Google Patents

Description

туры преобразовател . Можно выделить два основных принципа реализации структур: с суммированием напр жений в узле или в контуре. Известен преобразователь, который при суммирован| | напр жений в узле содержит один однофазный инвертор с трансформаторным выходом и дополнительные ключи, формирующие напр жение с АИМ за счет переключени  отпа ек соответствующих обмоток трансформатора , первичной или вторичной 1} и 2, Известен также преобразователь, который при суммировании напр жений в контуре содержит несколько однофаз ных инверторов с одинаковыми алгЬрит мами управлени , но сдвинутыми по фазе в каждом инверторе относительно соседних инверторов ГЗЗ или с разными (но сфазированными по основ ной гармонике) алгоритмами причем каждый инвертор нагружен на тран форматор, выходные обмотки которых соединены последовательно. Структуры преобразователей с суммированием напр жений в узле (с переключением отпаек на вторичной стороне трансформатора ) характеризуютс  повьниенной частотой работы согласующего трансформатора, что позвол ет получить хорошие массо-габаритные показатели преобразовател  в целом. Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  способ, в котором осуществл етс  регулирование (стабилизаци ) выходного напр жени  преобразователей с суммированием напр жений в узле . Данный способ регулировани  осуществл ют путем инвертировани  посто нного напр жени  в переменное на пр жение промежуточной высокой частоты и формировани  выходного напр жени  многоступенчатой формы заданной частоты преобразованием переменного напр жени  промежуточной высокой частоты в разные уровни многоступенчатого выходного напр жени  и последующей его демодул ции. Регулирование величины выходного напр жени  осуществл ют за счет того, что на каждом интервале квантовани  выходного напр жени  обеспечивают формирование двух уровней напр жений основного напр жени  и ближайшего к нему по уровню меньшего напр жени . На интервалах квантовани  с наименьшим уровнем напр жени  в моменты, соответствующие углам регулировани , ввод т уровни с нулевым потенциалом. Таким образом, осуществл етс  регулирование напр жени  с АИМ посредством так называемого неоптимального частичного щиротно-импульсного регулировани  (ЧШИР) С5. К недостаткам данного способа можно отнести невысокое качество выходного напр нсени  преобразовател  при его регулировании или стабилизации (например, при изменении напр жени  питающей сети в пределах i15), Цель изобретени  - уменьшение искажений выходного напр жени  в заданном диапазоне его регулировани  (стабилизации ). 3та цель достигаетс  тем, что используетс  способ, который осуществл етс  путем инвертировани  посто нного напр жени  в переменное напр жение промежуточной высокой частоты и формировани  выходного напр жени  многоступенчатой формы заданной частоты преобразованием упом нутого переменного напр жени  промежуточной высокой частоты в разные уровни многоступенчатого выходного напр жени  и последующей его демодул ции. Регулирование величины выходного напр жени  осуществл ют путем введени  регулировочных интервалов, количество которых кратно числу полупериодов напр жени  промежуточной высокой частоты на.полупериоде выходного напр жени  и формировани  на каждом из указанных интервалов выходного напр жени  в виде двухступенчатых импульсов . Указанное формирование в виде двухступенчатых импульсов осуществл ют преобразованием переменного напр жени  промежуточной высокой частоты на каждом его полупериоде в двухступенчатые импульсы, при этом длительность нижней ступени импульса выбирают равной длительности регулировочного интервала, а заданный диапазон регулировани  обеспечивают соответствующим соотношением двух ступеней напр жени  промежуточной высокой частоты. На каждом интервале квантовани  выходного напр жени  обеспечивают формирование основного и добавочного напр жени  с соотношением ступеней, оптимизированным по минимуму коэффициента гармоник напр жени , что позвол ет получить минимальные его искажени . Указанный способ обозначим как способ оптимального частичного широтно-импульсиого регулировани  (ЧШИР).

На фиг. 1а представлена принципиальна  схема силовой части преобразовател , осуществл ющего способ; на фиг. 16 - блок-схема устройства дл  управлени  преобразователем,позвол ющего осуществить способ; на фиг. 2а-г - времейные диаграммы, по сн ющие принцип работы преобразовател  по предлагаемому способу при N 2, р 2, с паузой; на фиг. 3 принципиальна  схема устройства управлени  преобразователем дл  осуществлени  способа преобразовани  посто нного напр жени  в переменное с регулированием его величины; на фиг. k - временные диаграммы,по сн ющие работу устройства управлени , выполненного по фиг. 3; на фиг.5 зависимости коэффициента гармоник выходного напр жени  и амплитуды его первой. гармоники (Ц) от величины регулировочного интервала дл  известного способа {неоптимальное ЧЩИР и предлагаемого способа (оптимальное ЧШИР) при N 4, р 1, без паузы.

Принцип формировани  управл ющих сигналов ключей модул тора и демодул тора при формировании кривых выходного напр жени  по предлагаемому способу по сн етс  временными диагра мами на фиг. 2а-г, где показаны: и, и/ - сигналы управлени , подаваемые на. входы ключей 1-6 модул тора 7; - форма напр жени  на первичной обмотке 8 трансформатора 9; Uxn««U 2) сигналы управлени , подаваемые на управл ющие входы ключей 10-13 демодул тора U - форма выходного напр жени  преобразовател  с параметрами N 2, р 2, с паузой

Ранее по известному способу преобразование посто нного напр жени  в переменное с регулированием его величины осуществл лось путем инвертировани  посто нного напр жени  в переменное напр жение промежуточной высокой частоты и формировани  выходного напр жени  многоступенчатой формы заданной частоты, причем на каждом интервале квантовани  выходного напр жени  обеспечивалось формирование двух уровней напр жений основного напр жени  и ближайшего к нему по уровню меньшего напр жени . Таким образом, осуществл лось регулирование напр жени  с ДИМ посредством так называемого неоптимального

частичного широтно-импульсного регулировани  (ЧШИР). С целью уменьшени  искажений выходного напр жени  в заданном диапазоне его регулировани  (стабилизации) перемэнное напр жение промежуточной высокой частоты на каждом его полупериоде формируют в виде двухступенчатых импульсов (фиг. 26), длительность нижней ступени импульса равна длительo ности регулировочного интервала (tj),, а заданный .диапазон регулировани  обеспечивают соответствующий соотношением двух ступеней напр жени  промежуточной высокой частоты.

S

Дл  иллюстрации выбирают число ин тервалов квантовани  на полупериоде выходного напр жени  равным п ти (фиг. 2г) и каждый интервал квантовани  (t,) разбивают на два подин0 тервала.

На интервале tg. ..t формируют отпирающие сигналы дл  ключей 3 и 5 модул тора 7, ключа 11 демодул тора 14 и запирающие сигналы дл  ключей

5 1, 2, 4, 6 модул тора и ключей 10, 12, 13 демодул тора. Зтим обеспечивают формирование паузы между полуволнами выходного напр жени , так как однЬвременно замыкают пару клюO чей, подсоединенных к общей точке цепи питани .. На подинтервале t....t,4 формируют отпирающие сигналы дл . ключа Ц модул тора и ключа 11 демодул тора и запирающие сигналы дл  клюS чей 2, 3м 6 модул тора и ключей 10, 12, 13 демодул тора. Дл  1-го и ключей модул тора на этом же подинтервале формируют измен ющиес , широтно-модулируемые сигналы, длитель0 ность которых измен етс  в функции изменени  дестабилизирующих возмущений со стороны как первичного источника , так к потребител . Тем самым автоматически измен ют длитель5 ность провод щего состо ни  силовых транзисторов 1 и 5 модул тора 7. В результате осуществл ют автоматическое переключение отпаек первичной обмотки 8 трансформатора 9, что о.беспечивает изменение коэффициента трансформации трансформатора в пределах подинтервала t ... t и формирование на данном подинтервале двухступенчатого импульса (фиг. 26). Длительность нижней ступени импульса .(tn) равна длительности регулировочного интервала выходного напр жени  преобразовател . На подинтервале

trj. .. 1л формируют отпирающие сигналы дл  ключа 3 модул тора 7 и ключа 12 демодул тора 14 и запирающие импульсы дл  ключей 1, f 5 модул тора и ключей 10, 11, 13 демодул тора 14. .Дл  управлени .2-ым и 6-ым ключами модул тора формируют широтно-регулируемые сигналы управлени , аналогичные сигналам соответственно 1-го и 5-го ключей, а на первичной обмотке 8 трансформатора 9 формируют отрицаteльный двухступенчатый импульс переменного напр жени , промежуточной высокой частоты (фиг. 26 ). Пол рность обмоток трансформатора такова, что на интервале t...tj на нагрузке формируют первый (наименьший) уровень положительной полуволны выходного напр жени  U- (фиг. 2г), Принцип дальнейшего формировани  управл ющих сигналов  сен из последующего рассмотрени  временных диаграмм на фиг. 2 и аналогичен рассмотренным ситуаци м. При этом на каждом подинтервале квантовани  выходного напр жени  U обеспечивают формирование основног® (U°mcix) и добавочного () зпр жений с соотношением ступеней, оптимизированным по минимуму коэффициента гармоник напр жени , что позволит получить минимальные его искажени .

Заданный диапазон регулировани  (стабилизации) выходного напр жени  обеспечивают соответствующим, соотношением двух ступеней напр жени  промежуточной высокой частоты (.фиг, 26).

В области максимальных изменений дестабилизирующих факторов формируют управл ющие импульсы дл  ключей 1 и 5 2 и 6 модул тора, обеспечивающие формирование выходного напр жени  без регулировани . Так при t(,,g tj,/4 на подинтервале t....trj формируют запирающий сигнал дл  ключа 1 и отпирающий сигнал дл  ключа 5 э на подинтервале t.. ..tj - Запирающий сигнал дл  ключа 2 и отпирающий CHI- нал дл  ключа 6. В результате на первичной обмотке 8 трансформатора 9 формируют одноступенчатое переменное напр жение промежуточной высокой частоты , а на нагрузке - первый уровень основного напр жени  {U). При минимальном регулировочном интервале (4miri ° интервале t...t формируют отпирающие сигналы дл  ключей 1 и 2 и запирающие сигналы дл  ключей 5 и 6 модул тора, обеспечива  тем самым на нагрузке формирование первого уровн  добавочного напр жени  ().

Дл  осуществлени  способа преобразовани  посто нного напр жени  в регулируемое переменное предлагаетс  устройство, показанное на фиг. 1а,б.

Наи&олее близким техническим решением к предлагаемому  вл етс  устройство ,, содержащее однофазный мостовой инвертор, силовыми входными выводами подключенный к сети посто н ,ного тока и нагруженный на первичную обмотку трансформатора. Вторична  обмотка трансформатора выполнена с отпайками св занными с выходными выводами устройства через управл емые ключи с двухсторонней проводимостью, образующие демодул тор. Дл  управлени  ключами инвертора .и демодул тора используетс  блок управлени , состо щий из последовательно соединенных между соб1эй задающего генератора, распределител  импульсов и логического узла перераспределени  этих импульсов , а также модул тор ширины импульсов , входом соединенный с выходом задающего генератора, причем выходы логического узла св заны с управл ющими входами ключей однофазного инвертора и ключей демодул тора.

В отличии от известного устройства , первична  обмотка трансформатора предлагаемого выполнена с отпайками, которые подключены к каждому силовому входному выводу однофазного мостового инвертора через дополнительно введенные полностью управл емые ключи с двухсторонней проводимостью, причем управл ющие входы этих клюМей, а также ключей однофазного инвертора соединены через упом нутцй логический узел перераспределени  импульсов с выходом модул тора ширины импульсов.

Устройство (фиг. 1а,б), реализующее способ преобразовани  посто нного напр жени  в переменное с регулированием его величины, содержит однофазный мостовой инвертор, выполненный на ключах 1-4, силовыми входными выводами подключенный к сети посто нного тока и нагруженный на первичную обмотку В трансформатора 9. Первична  обмотка трансформатора 9 выполнена с отпайками, которые подключены к каждому силовому входному выводу однофазного мостового инвертора через дополнительно введенные полностью :управл емыеключи 5 и 6 с двухсторонней проводимостью. Дл  удобства однофазный мостовой инвертор, выполненный на ключах 1- и дополнительно введенные ключи 5 и 6 с двухсторонней проводимостью обозначим модул  тором (М) 7. Вторична  обмотка трансформатора 9 выполнена с отпайками, св занными с выходами выводами устройства через управл емые ключи 10-13 с двухсторонней проводимостью, образующие демодул тор (Д) k. Блок управлени  состоит из последовательно соединенных между собой задающего генератора 15, распределител  16 импульсов и логического узла 17 перераспреде:лени  этих импульсов, формирующего управл ющие сигналы дл  ключей модул тора 7 и демодул тора И. Модул тор 18 ширины импульсов входом соединен с выходом задающего генерато

ра 15, причем управл ющие входы кш)чей 1, 2 и 5, 6 модул тора 7 св заны через логический узел 17 с выходом модул тора 18 ширины импульсов. На фиг. 3 приведена, принципиальна  схема устройства управлени  преобразователем , выполненным по фиг, 1а, дл  реализации способа. Это устройство управлени  содержит упом нутые ранее задающий генератор 15, распределитель 16 импульсов, логический узел 17, модул тор 18 ширины импульсов 18 и усилительно-разв зывающий узел 19. В состав логического узла 17 перераспределени  импульсов вход т триггер 20, двухвходовые логические элементы И-НЕ 21-28, двухвходовые логические элементы И Э-З, трехвходовые логические элементы И , трехвходовые логические эле .менты ИЛИ 37-38 и логические 2-2И-ИЛИ .

Устройство дл  осуществлени  способа преобразовани  посто нного на|Пр жеНи  в переменное с регулированием его величины работает следующим образом.

Задающий генератор 15 определ ет выходную частоту преобразовател  и осуществл ет синхронизацию работы отдельных узлов. Модул тор 18 ширины импульсов по сигналу осуществл ет изменение длительности регулировочного интервала (t), и может быть выполнен , например, в виде генератора 3 пилообразного напр жени  и компаратора . Ко входным выводам логического узла 17 перераспределени  импульсов подключены выводы распредеUl8

дл  МШИ и 15 дл  Зг:

Ь.

дл  РИ: , , ,

и

:

y-(.

и:

. дл  триггера 20 в логическом уз5 ле : i h

Выходные .сигналы, снимаемые с выходов логического узла 17 (или, что условно одно и то же с выходов УРУ 19) обозначим как и,...Do , где цифровые индексы соответствуют номерам ключей модул тора 7 и демодул тора Т на фиг. 1а.

Логический узел 17 из сигналов ЗГ, ИШИ и РИ формирует сигналы дл  управлени  клю.чами модул тора и демодул тора , которые определ ютс  следующими логическими выражени ми; Ui (b-c)-a U (b-c)-a Ua b-c

b-c

U

U5 (bc)-(b-c)-a

U (Б-с)-(Б-с)-а

Цр {b-c-f)h lbC-f|-- h

U(c-fb.d4b.q)h (d b4b-q)h

a« {c -b-d-(-b.q)h-I- {b-d+b-q)h

.f. b).h- (b-e-f)-h

Этими дес тью логическими выражени ми в данном конкретном примере (при числе ступеней выходного напр жени  UH на четверти периода N 2 и при числе ключей демодул тора, равном 2N) определ етс  функциональна  характеристика логического узла 17 и все его внутренние и внешние взаимосв зи с ЗГ, МШИ и РИ.

Как следует из временных диаграмм (фиг. 2а-г), формирование выходного лител  16 импульсов и модул тора 18 ширины импульсов. Выходные выводы логического узла подключены к усилительнотразв зывающему узлу 19 и образуют выходные выводы блока управлени  дл  подключени  к управл ющим вхЬдам ключей 1-6 модул тора 7 и ключей 10-13 демодул тора 1. Принцип формировани  управл ющих сигналов и.,.и дл  ключей 1-6 модул тора 7 и управл ющих сигналов ...U дл  ключей 10-13 модул тора Н по сн етс  временными диаграммами на фиг. j, а также с помощью  зыка Булевой алгебры , который е формализованной . форме фикЬирует все необходимые св зи . С целью упрощени  записи логических выражений введем следующие обозначени  выходных сигналов (импульсов ), напр жени  преобразовател  (Ыц) осуществл ют путем инвертировани  посто нного напр жени  в переменное напр жение () промежуточной высокой частоты, трансформации этого напр жени  с помрщью трансформатора 9 и формировани  выходного напр жени  многоступенчатой формы заданной частоты за счет соответствующего переключени  отпаек вторичной обмотки трансформатора 9 с помощью ключей 10-13 демодул тора I. Регулирование (стабилизацию) вели чины выходного напр жени  осуществл ют за счет модул ции (в функции изменени  дестабилизирующих возмущений со стороны как первичного источника , так и потребител ) ширины управл ющих импульсов подаваемых на силовые транзисторы 1, 2 и 5, 6 (фиг. 2а и фиг, 4) стоек модул тора 7, выполн емой с помощью модул тора 18 ширины импульсов, выход которого через логический узел 17 св зан с уп равл оцими входами транзисторов 1 и 2, 5 и 6. (фиг. 16 и фиглЗ), измен ющеес  в функции изменени  дестабилизирующих факторов,  вл етс  стабилизирующим сигналом, а блок управлени , отслежива  изменение. Uy, автоматически измен ет длительность провод щего состо ни  силовых транзисторов 1, 2 и 5, 6 модул тора 7. В результате происходит автоматическое переключение отпаек первичной обмотки трансформатора 9, что обеспечивает изменение коэффициента тран формации трансформатора в пределах каждого полупериода напр жени  U (фиг. 26) промежуточной высок9Й частоты . Числа витков первичной обмотки W и отпайки W трансформатора 9 выбирают таким образом, чтобы изменени коэффициента трансформации обеспечивало формирование основного (,,,) и добавочного (Уц) напр жени  (г. 2г) с соотношением ступеней, о тимизированным по минимуму коэффициента гармоник напр жени . При этом обеспечиваетс  оптимальное частичное широтно-импульсное регулирование (ЧШИР) выходного напр жени  преобразовател , что позвол ет получить минимальные его искажени . Заданный диапазон регулировани  (стабилизации выходного напр жени  обеспечивают соответствующим соотношением чисел витков первичной обмотки (W) и отпайки трансформатора (W), что обеспечивает соответствую щее соотношение двух ступеней напр жени  (Uw) промежуточной высокой частоты (фиг. 26). Дл  примера на фиг. 5 представ е ны зав1гсИмости коэффициента гармоник выходного напр жени  преобразовател  в функции угла регулировани о. дл  случа  оптимального (сплошные ли нии) и неоптимального ЧШИР (параметры выходного напр жени  преобразовател : N 4, р 1, без паузы), позвол ющие судить о преимуществе оптимального ЧШР. В заданном диапазон. регулировани  (например ±15%) предлагаемый способ регулировани  позвол ет вдвое уменьшить )). В случае получени  повышенных выходных мощностей преобразовател  при ограниченных возможност х элементной может оказатьс  рациональным расчленение преобразовател  на п параллельных каналов с последовательно соединенными выходами. Нар ду с решением задачи наращивани  мощности при этом, за счет сдвига на соответствующие фиксированные фазовые углы выходных напр жений каналов, можно получить соответственно меньшие искажени  результирующего выходного напр жени  преобразовател  в сравнении с искажени ми выходного напр жени  любого из каналов. При этом следует отметить, что величина фазового сдвига доследующего напр жени  по отношению к предыдущему определ етс  числом п суммируемых напр жений и равна t ; ty,/n, где ty, - длительность разновременных интервалов квантовани  уровней выходного напр жени  каждого из каналов . В зависимости от требований к качеству выходного напр жени  преобразовател  суммируют выходные напр жени  двух каналов (коэффициент гармоник напр жени  равен 0,090) или четырех каналов () 0,05). Устройство с многофазным выходом может быть построено по модульному принципу из соответстующего числа указанного варианта устройства с однофазным выходом. Предлагаемый способ регулировани  выходного напр жени  преобразовател  и устройство дл  его осуществлени  могут примен тьс  в тех случа х, когда требуетс  преобразование посто нного напр жени  в переменное, согласование уровней напр жени  питающей сети и потребител , повышенное качество преобразованной электрической энергии и приемлемые массогабаритные показатели источника, а также стабилизаци  выходного напр жени  при определенном уровне дестабилизирующих возмущений со стороны как первичного источника так и потребител .

Claims (3)

1. Формула изобретени 

   1,Способ преобразовани  посто нного напр жени  в переменное с регулированием его величины путем инвертировани  посто нного напр жени  в переменное напр жение промежуточной высокой частоты и формировани  выходного напр жени  многоступенчатой формы заданной частоты за счет преобразовани  упом нутого переменного напр жени  промежуточной высокой частоты в разные уровни многоступенчатого выходного напр жени  и последующей его демодул ции, причем регулирование величины выходного напр жени  осуществл ют путем введени  регулировочных интервалов, количество которых кратно числу полупериодов напр жени  промежуточной высокой частоты на полупериоде выходного напр жени , и формировани  на каждом из указанных интервалов выходного напр жени  в виде двухступенчатых импульсов, отличающийс   тем, что, с целью уменьшени  искажени  выходного напр жени  в заданном диапазоне его регулировани , указанное формирование в виде двухступенчатых импульсов осуществл ют преобразованием переменного напр жени  промежуточной высокой частоты на каждом его полупериоде в двухступенчатые импульсы, причем длительность нижней ступени импульса выбирают равной длительности регулировочного интервала, а заданный диапазон регулировани  обеспечивают соответствующим соотношением двух ступеней напр жени  промежуточной высокой частоты .

   2.Устройство дл  преобразовани  посто нного напр жени  в регулируемое переменное, включающее в себ  однофазный мостовой инвертор, силовыми входными выводами подключенный к сети посто нного тока и нагруженный на первичную обмотку трансформатора,
2. вторична  обмотка которого выполнена с отпайками, св занными с выходными выводами через управл емые ключи с двухсторонней проводимостью, образующие демодул тор, блок управлени ,

   состо щий из последовательно соединенных между собой задающего генератора , распределител  импульсов и логического узла, перераспределител  этих импульсов, формирующего управл ющие импульсы дл  переключени  клю чей преобразовател  в заданной последовательности , а также модул тор ширины импульсов, входом соединенный с выходом задающего генератора, о т личающеес  тем, что первична  обмотка трансформатора выполнена с отпайками, которые подключены к каждому силовому входному выводу однофазного мостового инвертора через дополнительно введенные полностью управл емые ключи с двухсторонней проводимостью, причен управл ющие входы этих ключей, а также ключей однофазного инвертора, соеди нены через упом нутый логический узел перераспределени  импульсов с выходом модул тора ширины импульсов.

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1 .Авторское свидетельство СССР по за вке №280б2Э, кл. Н 02 Н ,1968,

   2.Мельничук Л.П., Кравченко В.А, Об уменьшении весо-габаритных показателей вторичных источников питани . Сб. Повышение эффективности устройств преобразовательной техники , ч. k, Киев, Наукова думка, 1973, 127-136.

   3.Руденко B.C. и др. Разработка и исследование тиристорного преобразовател  частоты с улучшенной формой выходного напр жени . Сб. Современные задачи преобразовательной техники , ч. , Киев, Наукова думка,
3. 1975. с. 126-135.

   Ji. Бедфорт В., Хофт Р. Теори  автономных инверторов, Энерги , 196$.

   5. Авторское свидетельство СССР по за вке № ). - . кл. Н 02 М 7/W/H 02 М 7/517, .02.08.7 (прототип).

   «y

   ll

   t/f

   rL n n n

   n n nn in nn fin nn nn nn nn nn

   n

   №з

   n n n n

   n n n n

   Ч t

   L inпгт nn ПП nn nn nn nn

   (1и

   KM

   HeonmuHO/i HX nuiuk - DnmuHO/itHse niuup.

   /1

   6 QM Q6 0,8 1.0 Фиг.5