Преобразователь постоянного напряжения в ступенчатое переменное

ОП ИСАН,.НИ ИЗОБРЕТЕНИЯ 688970 Союз Советских Социалистических РеспубликК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1) Дополнительное к авт. свид-ву2) Заявлено 01,11.76 (21) 2415800/24-07с присоединением заявки3) ПриоритетОпубликовано 30.09,79, БюллетеньДата опубликования описания 30.09.7 51) И. Кл.2Н 02 М 7/4 сударственный комитет СССРелам иэобретени и открытий 53) УДК 621,314,5, Мы из Московский ордена Ленина энергетический институт 71) Заявите 54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕ в 1 Ч-СТУПЕНЧАТОЕ ПЕРЕМЕННОЕ тносят ым зв зова Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для построения вторичных источников питания устройств электроавтоматики и электроприводов переменного тока малой мощности (до единиц кВА), работающих как на переменную, так и на постоянную нагрузку, в тех случаях, когда требуется согласование уровней напряжений питающей сети и потребителя, а также повышенное качество преобразованной электрической энергии и приемлемые массо-габаритные показатели источника.Регулирование частоты и напряжения нагрузки, а также повышение качества энергии на выходе статических преобразователей реализуется путем применения различных видов модуляций. Наибольшее распространение получили широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), Эти методы формирования напряжения основаны или на изменении (модуляции) длительности отдельных импульсов равной амплитуды (ШИМ), или на изменении (модуляции) амплитуды и длительности ступеней (АИМ).Перспективным способом улучшения гармонического состава выходного напряжения инверторов является АИМ. АИМ для обеспечения одинакового с ШИМ качества преобразованной электрической энергии реализует с меньшими коммутационными потерями за счет меньшего числа тактовых интсрвалов и имеет более простую систему управленияИнверторы с АИМ по схемному признакуможно разделить на три класса. К первому классу относятся инверторы, в которых ступенчатое напряжение формируется путем О поочередного подключения с помощью ключей обмоток трансформатора, работающего на выходной частоте 11.Ко второму классу относятся инверторы,формирующие ступенчатое напряжение за 15 счет использования нескольких источниковпитания с различными уровнями напряжения питания 2.К третьему классу о ся схемы инверторов с промежуточн еном высокой частоты 3.Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является преобра тель, относящийся к третьему классу.Этот преобразователь содержит инверторс высокочастотным согласующим трансформатором, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом и отпайками, расположенными симметрично относительно среднего вывода, коммутатор на управляе- ЗО мых ключах, поочередно переключающийобмотки на вторичной стороне трансформатора, и блок управления, включающий в себя задающий генератор, фазосдвигающий узел и многоканальный распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора. При использовании этого преобразователя можно повысить частоту напряжения на первичной обмотке трансформатора и, следовательно, улучшить его массо-габаритные показатели. Рабочая частота трансформатора в известном решении превышает частоту напряжения в нагрузке в 2 У раз (где У - число ступеней на четверти периода выходного напряжения преобразователя), причем, увеличивая число вторичных обмоток с ключами, можно получить напряжение с любым числом ступеней и, следовательно, получить сколь угодно малый коэффициент гармоник и улучшить при этом массо-габаритные показатели трансформатора. К недостаткам таких преобразователей следует отнести сложность его силовой части (число ключей коммутатора равно 2 У).Целью изобретения является упрощение известного преобразователя при получении выходного напряжения с малым коэффициентом гармоник.Для достижения поставленной цели коммутатор выполнен на У управляемых клюО чах, а многоканальный распределитель им-, пульсов выполнен (2 У - 1) -канальным, каждый его -ый канал из числа (У - 1) совместно с (2 У - ) -ым каналом связан с управляющим входом соответствующего клю- З; ча коммутатора через логический элемент ИЛИ, а число витков 1-го выходного вывода трансформатора с числом витков его У-го выходного вывода связано соотношением 40: з 1 пЮд 2 (2 Ю 1) где У - число ступеней на четверти периода выходного напряжения преобразователя;1 = 1, 2, , У - номер выходного вывода трансформатора при отсчете отсреднего вывода его вторичной обмотки попеременно в одну и дру- ;,0гую от него сторону.На фиг. 1 дана принципиальная схема предлагаемого преобразователя; на фиг.1, б - блок управления этим преобразователем; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя; на фиг. 3 - зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения преобразователя от числа ступеней (У) на четверти его периода. 60Предлагаемый преобразователь содержит промежуточное высокочастотное инвертирующее звено, выполненное в виде мостового инвертора 1 на ключах 2 - 5. Инвертор 1 нагружен на первичную обмотку 6 согласу ющсго трансформатора 7. Вторичная обмотка 8 трансформатора выполнена со средним выводом 9 и отпайками 10, 11, образующими вместе с двумя концами 12, 13 этой обмотки выходные выводы трансформатора. Выходные выводы трансформатора 7 соединены с силовыми концами ключей 14 - 17 коммутатора 18. Выходные выводы преобразователя образованы средним выводом 9 вторичной обмотки 8 трансформатора и точкой объединения других силовых концов управляемых ключей коммутатора 18.Блок управления 19 содержит задающий генератор 20, подключенный к фазосдвигающему устройству 21 и многоканальному распределителю импульсов 22, Распределитель 22 выполнен (2 У - 1) -канальным, причем каждый его 1-ый канал из числа (У - 1) совместно с (2 У - 1)-ым каналом связан с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логические элементы ИЛИ. Управляющие входы ключей 2 - 5 высокочастотного инвертора 1 также связаны с соответствующими выводами блока управления через буферные усилители 23.Принцип формирования ступенчатого выходного напряжения с нерегулируемыми и регулируемыми по ширине ступенями поясняется соответственно на фиг. 2, а и 2, б, где ТИ - тактовые импульсы на выходе генератора импульсоВ У 2 - 05 - сиГналы упраВления, подаваемые на управляющие входы ключей 2 - 5 инвертора 1; 47 е - форма напряжения на первичной обмотке 6 трансформатора 7; Увы; - форма ВыходнОГО напряжения преобразователя; 04 - У - сигналы управления, подаваемые на управляющие входы ключей 14 - 17 коммутатора 18.При подключении питания к блоку управления и силовой части преобразователя замыкаются ключи 2, 5 инвертора 1, На первичной обмотке 6 согласующего всокочастотного трансформатора 7 формируется положительный импульс напряжения Уе. Полярность обмоток трансформатора такова, что при замыкании ключа 16 коммутатора 18 на нагрузке формируется первая ступень положительной полуволны выходного напряжения. При замыкании ключей 3, 4 инвертора 1, на обмотке 6 формируется отрицательный импульс напряжения Уе Замыканием ключа 15 формируют вторую ступень выходного напряжения. Дальнейшее формирование ступеней происходит аналогично в соответствии с временными диаграммами, представленными на фиг. 2. Регулирование длительности импульсов выходного напряжения может осуществляться в каждом из силовых звеньев преобразователя: в инверторе, в трансформаторе или в коммутаторе. С точки зрения упрощения системы управления, рациональней регулировать напряжение в инверторе,688970 50 55 6065 Простейший алгоритм управления ключами инвертора, обеспечивающий регулирование длительности импульсов выходного напряжения, поясняется временными диаграммами на фиг. 2,б, где Уь У, - прямой и инверсный сигналы управления (этц сигналы с выхода задающего генератора 20 подаются на входы ключей 5, 4 высокочастотного цнвсртора 1); У 2, Уз - сигналы управления, сдвцнутыс на величину 1, относительно сигналов Уь У 4, формируемые на выходе фазосдвигающего устройства 21 и подаваемые на входы ключей 2, 3.АИМ может осуществляться, во-первых, с разным числом ступеней У на четверти периода выходного напряжения преобразователя и, во-вторых, с четным или нечетным числом тактовых интервалов и на полупериоде выходного напряжения.В известном решении, принятом за прототип, ступенчатое напряжение формируется с четньвт и, В результате количество силовых ключей коммутатора равно удвоенному числу ступеней на четверти периода выходного напряжения.В предлагаемом преобразователе выходное напряжение формируется с нечетным числом и. В этом случае преобразователь упрощается за счет уменьшения числа силовых элементов коммутатора (Л управляемых ключей вместо 2 У у прототипа).При равном числе ступеней, например У=4, известное решение имеет несколько лучший коэффициент гармоник (К=0,117) по сравнению с предлагаемым преобразователем (К=0,124), но при этом его коммутатор содержит вдвое большее число силовых ключей, При рассмотрении вариантов с более близким соотношением числа ключей становится очевидным, что предлагаемый преобразователь при меньшем числе ключей коммутатора обеспечивает лучшее качество преобразованной электрической энергии (прц .Ч=З) и числе ключей у прототипа, равном 6, имеем К,=0,15, В то же время в предлагаемом преобразователе при У=4 и числе ключей, равном 4, коэффициент гармоник равен 0,124). Предложенный преобразователь может применяться во всех тех случаях, где требуется преобразование постоянного напряжения одного уровня в однофазное напряжение другого уровня заданной фиксированной частоты.М-фазный преобразователь постоянного напряжения может быть построен по модульному принципу из т вышеописанных преобразователей или для упрощения путем подключения к выходным выводам общего согласующего трансформатора т коммутаторов с последующей синхронизацией их работы.Целесообразное число ступеней У выбирается в каждом случае применения в за 10 15 20 25 30 35 40 45 висимостц от требования к искаженгпо выходного напряжения.Зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения от числа ступеней, позволяющая осуществить выбор числа М, представлена на фиг. 3. Формула изобретения Преобразователь постоянного напряжения в Х-ступенчатое переменное с промежуточным звеном высокой частоты, содержащий однофазный инвертор, выход которого соединен с первичной обмоткой согласующего высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом и с отпайкамц, образующими вместе с двумя концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, числом кратные числу ступеней переменного напряжения, коммутатор на управляемых ключах, числом равных числу выходных выводов трансформатора, и блок управления, включающий в себя задающий генератор, фазосдвцгающий узел и многоканальный распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора, выходные выводы преобразователя образованы средним выводом вторичной обмотки трансформатора ц точкой объединения одних силовых концов управляемых ключей коммутатора, а другие силовые концы этих ключей соединены с выходными выводами трансформатора, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью упрощения конструкции при получении выходного напряжения с малым коэффициентом гармоник, вторичная обмотка содержит Л выходных выводов, а распределитель импульсов выполнен (2 У - 1) -канальным, причем каждый его -ый канал из числа (Л - 1) совместно с (2 М - )-ым каналом связан с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логический элемент ИЛИ, а число Ювитков -го выходного вывода трансформатора связано с числом К. витков его У-го выходного вывода соотношением 1171, (И - 1) - .11 у 2 (2 Ь - 1)где У - число ступеней напряжения на четверти периода выходного напряжения преобразователя;= 1, 2 Ю - номер выходного вывода трансформатора при отсчете от среднего вывода его вторичной обмотки попеременно в одну ц другую от него сторону.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР М. 280629 кл Н 02 М 7/48 19682. Авторское свидетельство СССР М 414693, кл. Н 02 М 5/48, 1971.73. А, П. Мельничук и др. Об уменьшении несо-габаритных показателей ВИП,-Сб, Повышение эффективности устройств преобра 688970 зовательной техники. Ч. 4, Киев, Науковадумка, 1972, с. 127 - 136,. Андреев троганова оставитель хре ор Е. Осип вято едактор Г 1 Заказ 2124/17 Изд.НПО Поиск Государственного113035, Мос омитета СССР , Ж, Рауш афия, пр, Сап Тираж 866 Подписпо делам изобретений и открыая наб д. 4/5ова, 2