Способ формирования синусоидального выходного напряжения инвертора и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 80.1 ЕНИ етельство СССР8, 1980.тез актономныхого типа. Киев тельство СССР7/48, 1977. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИЙ САНИЕ ИЗОБР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(541 СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИНУСОИДАЛЬ ИОГО ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ИНВЕРТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, (57 1 1. Способ Формирования сннусоидального выходного напряжения инвертора, при котором генерируют прямо-. угольные импульсы повышенной часто ты, амплитудно-модулированные по синусоидальной Функции построения, имеющей выходную частоту инвертора, синхронно детектируют указанные импульсы и выделяют первую гармонику путем Фильтрации, о т л и ч а в - щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей путем одновременного Формирования А( Фаз выходного синусоидального напря,жения, взаимно-сдвинутых на заданный угол 9, в каждом периоде выходного напряжения генерируют 2 М(2 Йукаэанных импульсов, где й - число уровней (ступеней ) выходного напряжения в полупериоде, затем разделяют импульсы на М последовательностей так, чтобы импульс каждой данной последовательности был расположен во времени смежно .с импульсом другой последовательности, и модулирувт амплитуду импульсов каждой последоваЪМ 511 Н 02 М 7/48 р Н 02 М 7/5 тельности по синусоидальной функции построения выходной частоты инвертора, причем эти М функции взаимно- сдвинуты на укаэанный угол Ч, синх-ронно-детектируют и фильтруют раздельно каждую последовательность импульсов.2. Способ по п. 1, о т л и ч а вщ и й с я тем, что с целью регулирования величины выходного напряжения, укаэанное синхронное детектирование осуществляют импульсами регулируемой длительности.3. Устройство для формирования синусоидального выходного напряжения, содержащее однофазный инверторный а блок с выходным трансформаторным блоком, в первичнув цепь которого вклв- уфЬ чен полупроводниковый многоячеичный фф коммутатор, ступенчато изменяющий амплитуду импульсов выходного напря- пффф жения, блок управления с задающим генератором, делителем частоты, рас- Е нределителем импульсов, модулятором ( ширины импульсов и предварительными усилителями, синхронный детектор на ключах переменного тока и фильтр, о т л н ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов при Формировании одновременно М Фаэ выходного синусоидального напряжения, взанмносдвинутых на заданный угол 9 указанный трансформаторный блок имеет Ю вторичных обмоток, каждая иэ которых через соответствующий ключ переменного тока и фильтр соединена с выходными выводами данной фазы инвертора, а цепь управления этого ключа соединена с .выходом соответствующего модулятора ширины импульсов, число которых в блоке управления рав но числу фаэ М.Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для построения вторичных источников питания, устройств электроавтоматики и электроприводов переменного тока в тех случаях, когда требуется согласование уровней напряжений питающей сети и потребления, а так же повышенное качество преобразованной ,электрической энергии, Регулирование частоты и напряжения и повышение ка чества энергии на выходе статических преобразователей реализуются в автономных инверторах напряжения путем различных видов модуляций. Наибольшее распространенле получили широт но-импульсная (ШИИ) и амплитудно-импульсная (АИИ) модуляции, Перспективным способом улучшения гармонического состава выходного напряжения инвертора является АИИ, которая, 20 обеспечивая одинаковое с ШИМ качество преобразованной электрической энергии, осуществляется с меньшими коммутационными потерями за счет меньшего числа тактовых интервалов 5 и реализуется более простой системой управления. Существует несколько способов формирования (синтезирования ) синусоидального сигнала методом АИМ. Синтезирование может быть непрерывным, при котором в любой момент времени Функция, описывающая выходной параметр (напряжение ), имеет единст венное вполне определенное значение, и дискретным ( импульсным ), при котО- З 5 ром напряжение состоит из импульсов, в общем случае различных по амплитуде и длительности.В изобретении используется дискретный способ синтезирования синусоидального напряжения на основе АИИ, 40 Существуют два наиболее распространенных способа формирования кваэисинусоидальных сигналов на нагрузке с помощью инверторов.Известен способ, который нредпола,гает формирование инвертором на первичной стороне трансформатора немодулированного напряжения повышенной частоты с последующим Формированием ступенчато-модулированной последова твльности отдельных импульсов путем оммутации вторичных обмоток ключами довременного тока. Достоинствами этого способа являются обеспечение работы трансформатора на повышенной 55 частоте и как следствие снижение его габаритов и массы. Кроме того, в данном способе возможно формирование однофазным инвертором многофазного напряжения 1160Недостатком этого способа является необходимость использования большого количества ключей переменного тока, определяемого количеством ступенек в четверти периода Формируемо го напряжения. Количество ключей увеличивается пропорционально количеству Формируемых Фаз выходного напряжения инвертора, Кроме того, размещение ключей во вторичной обмотке, значительно усложняет управление ими, так как требуются гальванически развязанные источники импульсов управления ключами.Известен также способ, который предполагает формирование квази-синусоидального напряжения на первичной стороне трансформатора путем коммутации ключей постоянного тока инвертора с последующей трансформацией сформированного напряжения на нагрузку. Этот способ позволяет использовать ключи постоянного тока, которые значительно проще ключей переменного тока и не требуют гальванически развязанных источников импульсов управления.Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ формирования синусоидального выходного напряжения инвертора, при котором генерируют прямоугольные импульсы повышенной частоты, амплитудно-модулированные по синусоидальной функции построения, имеющей выходную частоту инвертора, синхронно детектируют указанные импульсы и выделяют первую гармонику путем фильтрации. Инвертор, реализующий этот способ, содержит однофазный инверторный блок с выходным трансформаторным блоком, в первичную цепь которого включен полупроводниковый многоячеичный коммутатор, ступенчато изменяющий амплитуду импульсов выходного напряжения, блок управления с задающим генератором, делителем частоты, распределителем импульсов, модуляторами ширины импульсов и предварительными усилителями, синхронный детектор на ключах переменного тока н ФильтрСЗ,Недостаток известного способа и реализующего его устройства состоит в том, что для получения многофазного выходного напряжения требуется включение нескольких по числу Фаз комплектов силового оборудования и усложнения управления.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем одновременного формирования М фаз выходного синусоидального напряжения, взаимно сдвинутых на заданный угол М, и снижение массы и габаритов инвертора, реализующего предлагаемый способ.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу формированиясинусоидального выходного напряженияинвертора, при котором генерируютпрямоугольные импульсы повышеннойчастоты, амплитудно-модулированныепо синусоидальной функции построения,имеющей выходную частоту инвертора,синхронно детектируют указанные импульсы и выделяют первую гармоникупутем фильтрации, в каждом периодевыходного напряжения генерируют 52 М (2 Нар) указанных импульсов, гдеМур- число уровн,ступеней ) выходного напряжения в полупериоде, затемразделяют импульсы на М последовательностей так, чтобы импульс каждой 10данной последовательности был расположен во времени смежно с импучьсомдругой последовательности, и модулируют амплитуду импульсов каждой последовательности по синусоидальной 15функции построения выходной частотыинвертора, причем эти М функций взаимно сдвинуты на указанный угол Ч,синхронно-детектируют и фильтруютраздельно каждую последовательностьимпульсов,Для регулирования величины выходного напряжения указанное синхронноедетектирование осуществляют импульсами регулируемой длительности.Кроме того, в устройстве,реализующем способ, содержащем однофазныйинверторный блок с выходным трансформаторным блоком, в первичную цепькоторого включен полупроводниковыймногоячеичный коммутатор, ступенчато изменяющий амплитуду импульсоввыходного напряжения, блок управления с задающим генератором, делителем частоты, распределителем импульсов, модулятором ширины импульсов ипредварительными делителями, синхронный детектор на ключах переменноготока и Фильтр, укаэанный трансформаторный блок имеет М вторичных обмоток, каждая из которых через соответАОствующий ключ переменного тока ифильтр соединена с выходными выводами данной Фазы инвертора, а цепьуправления этого ключа соединена свыходом соответствующего модулятора 45ширины импульсов, число которых вблоке управления равно числу, фаэ М.На Фиг, 1 показаны диаграммы напряжений; на фиг. 2 - принципиальнаясхема варианта инвертора. 50Пример формирования двухфазногонапряжения с взаимным сдвигом Фаз90 функции косинуса и синуса. НаФиг. 1 В,в показаны прямоугольные импульсы управления, сдвинутые один от 55носительно другого на 180. С помощьюимпульсов на фиг. 1 6 формируютсясигналы функции косинуса, а нафиг. 1 6 - сигналы функции синуса.Укаэанные импульсы управляют работой 6 Оключей инвертора по первичной стороне трансформаторного блока и работойсинхронного детектора по вторичнойстороне. Одни и те же ключи по первичной стороне поочередно Формируют65 сначала импульсы, модулированные й Функции косинуса,а затем по функции синуса, На Фиг. 1показаны модулированные по закону синуса импульсы выходного напряжения инвертора, При этом управление ключами происходит импульсами на Фиг. 1 в . На фиг 1 показаны импульсы выходного напряжения инвертора, модулированные по закону косинуса. При этом управление ключами инвертора происходит импуль-. сами на Фиг. 16 . На вторичной обмотке трансформатора напряжение является суммой чередующихся через такт импульсов, модулированных по Функции косинуса и по Функции синуса фиг. 1 ц , импульсы, принадлежащие разным фазам, заштрихованы по разному ), Суммарная последовательность импульсов фиг, 1 о) синхронно детектируется, при этом управление детекторами осуществляется импульсами,показанными на фиг.1 Е и В,а на входе фильт-; ра каждой фазы напряжение имеет вид соответственно фиг, 1 1 и д . На нагрузках напряжение имеет синусоидальную.и косинусоидальную форму.Если на синхронные детекторы подавать импульсы управления(Фиг. 16 и в ), модулированные по длительности, то на входе Фильтров импульсы также модулируются по длительности, т.е.осуществляется регулирование величины выходного напряжения. В рассматриваемом примере число импульсов каждой последовательности равно десяти, при трех уровнях ступенях ) в полупериоде. В общем случае число импульсов в периоде равно 2 Х 2 йр, где 8 - число уровней (ступеней) напряженйя в полупериоде.Использование предлагаемого способа позволяет с помощью одних и тех же силовых ключей постоянного тока и общего трансформатора инвертора формирователь напряжения нескольких Фаз. Поскольку Формирование разных Фаз производится одними и теми же элементами, то обеспечивается ста-, бильность сдвига Фаз. Предлагаемый способ позволяет довольно просто осуществить регулирование амплитуды выходного напряжения, Так как номер низшей иэ высших гармоник не зависит от ширины импульсов, габариты фильтра не изменяются при введении регулирования выходного напряжения.В блох управления схемы инвертора, реализующего предложенный способ, входят автогенератор 1, делитель частоты 2, распределитель импульсов, программируемый блок памяти 3, предварительные усилители 4,. Ичверториый блок содержит силовые ключи 5 и 6, ключи полупроводникового коммутатора 7 - 12, шунтирующие диоды 13 - 15, коммутатор подключает отдельные исФ1086526точники питания 16 - 19, величинынап ряжи которых соотносятся междувеличины 13, 14.и 1б й й системе и чиветВ .Одной трансформатор инвертора 19 ют20 и 21имеет раздельные вторичные бо мотки 20 и 21 транс миют его работе. Во Вторичные обмоттки22 и 2ф 5ьтры , показанное на фьтры ное напряжениекоторое поступает на фильтрыу р вления введены также модули аи . В блок 23, а затем н а фазчые нагрузки 26 иширины импульсов 28 и 29 иляторы 27, прой я чпо числу тока 24 и2 , д ерез ключи переменногногофаз а.и и 25. Управление ключами 24ройство работает следующи бразом,м о - и 29 со сдвигом на 180 о(импульсаминпо фиг, 1 о и в таким образом, чтоыми колебаниями запускает делочастот- если сигнал со вЮ Фчастоты 2, с выхода которогитель ходит, нап имео вторичной обмотки прор мер, на нагрузку косинусы параллельным кодом поступо импуль- соидальнойают на времени ключфазы, то на этом отрезкепамадресные шины программируемо блго ока нусоидальной зепеременного тока в сияти 3. Постоянно программируеФазе заперт, и наибопамять .(уемая рот..(микросхемы К 556 РТ 4програм- Таким об амируется заранее таким обрааким образом, осуществляетсявоздействуя на базы ключей 7 8зом, что 2 р синхронное едетектирование и на фильт 12 через предварительный усил 4и ры поступают импульсные последоваформируется напряжение пиания, предилитель , телъности сигналово по фнг, 1 иаР дОдуляторов 8 и 29 поступериодный выпрямленный вид н 2 но"двухполу- лают прямоугольные имп льмпульсы переменния, представленного на фи 1ид напряже ной длительности зазиав сящей от амплиПол чениа иг, 1, о . туды выходного напряжения 0 иучение двухполярного напряжения,полностью соответств,"лице фсная последовательность на кажчацего фиг. 1 ц, дой из нагрузок Фаз также сдостигается чередованием вклэ также содержитключей 5ключения импульсы переменной длительнмируеи 6. Блок памяти 3 п елеь ости, атся таким об азомрограм- ЗО довательно, выходное напряженР , что поочеред- Регулируется по амплитуде.иено через такт входной частоты оП еруется нФорми-Редлагаемое устройство обладаетвующеапряжение питания с слес оответст- дующими достоинствами; с помонусои ающее косинусоидальной а э т - о на ем и д ого инвертора может формироватьПОМОЩЬЮоидальной функциям.ся несколько аз пеСинтез необходимой35ько фаз переменного напряпряжения питания в каодимой амплитуды на- жения; используя синхронные детекмени происходит путем набо а ,ждый момент вре- торы, осуществляется регулир вованиеичной систора (по дво- выходного напряжения; один и. тот жео системе исчислениявключения блок памяти используется я7отдельных автономных источник 16иков вания сигналов разных фаз т.е.используется для кодироне дол би 18, При этом источник кото 40 еложен ыть подключен в аннрый ц м система управления в предлагаемоментД Ыймом сУ тройстве общая для всех Формит, шунтируется одним из диодов Руемых фаз.а.Проектная,иал ППП "Патентф, гужго акаэ 2264/51 Тираж 667 ВНИИПИ Государственного по делам иэобретений и 113035, Москва, Ж-З 5, Ра