Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в переменное многоступенчатой формы

ОП ИСАНИЕизоБЕтИНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союэ СоветскихСоциалистическихРеспублик в 752694(23)приоритет по делан изобретений н открытий(53) УДК 621.314. ,572 (088.8) Дата опубликования описания 31,07.80(72) Авторы изобретения Ю. А. Мордвинов и С. И. Королев Научно-исследовательский институт автоматикии электромеханики при Томском институте автоматизированныхсистем управления и радиоэлект оники(54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГОНАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ МНОГОСТУПЕНЧА ТОЙ ФОРМ Ы Изобретение относится к преобразова тельной технике и может быть использовано в системах электропитания для получения стабилизированного напряжения синусоидальной формы низкой частоты.Известен преобразователь постоянного5 напряжения, содержащий задающий генератор, фазосдвигаюшее устройство, два инвертора выходной фильтр и формирователь сигнала рассогласования, Задающий гето . нератор формирует напряжение прямоуголь ной формы и определяет рабочую частоту и фазу одного из инверторов, Цепи управления другого инвертора соединены с фазосдвигаюшим устройством, которое формирует прямоугольное напряжение той же частоты, что и задаюший генератор, носдвинутое по фазе на угол,пропорциональный сигналу указанного фор мирователя На вход фильтра подается суммарноенапряжение двух инверторов с регулируемым углом сдвига. На выходе фильтра напряжение имеет синусоидальную форму и поступает на нагрузку и на схему сра 2нения. Если его амплитуда превышаетопорное напряжение, то сигнал поступаетна одновибратор, а фильтр нижних частотвыделяет постоянную составляющую этихимпульсов, величина которой и определяетзовый сдвиг между двумя инверторами1,Недостатком данного преобразователяявляется низкое качество электрическойэнергии в переходных режимах, что обусловлено наличием фильтра низших частот,и изменение фазы выходного напряженияв процессе регулирования (стабилизапии).Известен также преобразователь, содержащий инвертор повышенной частотыс выходным трансформатором, отводы вторичной обмотки которого подключены квстречно-параллельно включенным вентилям циклоконвертора, задающий генератор,распределитель импульсов, кольцевую пересчетную схему и делитель частоты. Задающий генератор формирует напряжение прямоугольной формы, которое поступает наФправлщощие электроды тиристоров инвер3 75269 тора и на делитель частоты, на выходекоторого формируется прямоугольное напряжение частоты в К раз ниже рабочейчастоты задающего генератора, Выходдоителя частоты соединен с: кольцевойпересчетной схемой, на выходе которойформируется несколько импульсов напряЬжения, распределенных во времени. Затем:сигналы с кольцевой пересчетной схемыи задающего генератора поступают на рас пределитель импульсов, выходы которогосоединены с управляющими электродамитиристоров циклоконвертора 12,Недостатком данного преобразователяявляется то, что в нем не предусмотрено,регулирование величины выходного напряжения,. Наиболее близким по технической сущности является стабилизированный статический преобразователь с синусоидельным выходным напряжением, состоящий из двух элементарных преобразователей, выходы которых соединены последовательно, При этом каждый элементарный преобразователь содержит инвертор повышенной частоты с выходным трансформатором, отводы вторичной обмотки которого подключены к встречно-параллельно включенным тиристорам циклоконвертора (НПЧ), системы управления каждым элементарным преобразователем, фазосдвигающее устройство и блок обратной связи, На выходе каждого элементарного преобразователя формируется многоступенчатое напряжение, фазовый сдвиг одного из которых по отно шению к другому регулируется при помоши фазосдвигающего устройства. Значение напряжения будет зависеть от фазового сдвига между двумя указанными преобра 40 зователями и будет максимальное, когда фазовый сдвиг с = О. Стабилизация выходного напряжения осушествляется фазовым способом за счет использования зам-, кнутой системы автоматического регулирования по отклонению, В связи с этим и предусмотрено введение блока обратной связи, подключенного к выходу стабилизированного преобразователя, Сигнал с выхода обратной связи поступает в фазо 50 сдвигающее устройство, которое и определяет фазовый сдвиг между напряжениями двух элементарных преобразователей 3,При формировании напряжения низкой частоты в блоке обратной связи величина сглаживающего фильтра (обычно К-С) . должна обладать большой постоянной для хорошего сглаживания переменного выцримаенного напряжения. Это обусловлено 4 4тем, что сравнение выходного напряженияи напряжения уставки осуществляется на1 постоянном токе, Это приводит к тому,что при резком сбросе нагрузки напряжение на выходе преобразователя имеет большую величину перерегулирования, а принабросе нагрузки наблюдается провал выходного напряжения. Это обусловлено тем,что в первоначальный момент времени,замкнутая система ведет себя как разом-.кнутая иэ-за большой постоянной времени фильтра, входящего в блок обратнойсвязи.Кроме того, для целей регулированияиспользуется два элементарных преобразователя, содержащих по одному циклоко+вертору. Это приводит к увеличению вдва раза количества вентилей циклоконвертора, а значит массы и габаритов,хотя и классность их при этом в два раза уменьшается по сравненио с нерегулируемым статическим преобразователем(масса и габариты тиристоров не зависят от их классности). Кроме того, впроцессе регулирования загрузки одногои того же тиристора при постоянной нагрузке существенно изменяется. Например, при работе элементарных преобразователей на активную нагрузку для обеспечения диапазона регулирования брег =2нужно изменять фазовый угол 2 с от 0до 120, Это приводит к тому, что при2 Ю=120 О один элементарный преобразователь будет работать на эквивалентнуюнагрузку соьЧ =0,5 (сА 1 Ю /2=60 )индуктивного характера, а другой на нагрузку сое М =0,5 емкостного харак 4тера, Величина среднего значения тока,протекаюшего через любой п-ый вентильциклоконвертора, зависит от соб Чф,Так, например, для вентилей формирующихпервую ступень напряжения (я = 1), нагрузки при СОв Юн =0 и СОИ Мн =0,5 отличаются в 3 раза (количество тактовыхинтервалов 1 6, подынтервалов К=2),а при К=.З - в 4 раза, Кроме того, дляуправления рассматриваемым преобразователем нужна сложная схема управления,включающая в себя две кольцевые пересчетные схемы, жестко синхронизируемыемежду собой,Недостатком данного преобразователяявляется низкое качество электрическойэнергии в переходных режимах, значительная масса и габариты устройства,Известен преобразователь, использую-щий специальный измерительный органдемодулятор, безынерционно преобразук(без пульсаций) 41,Белью изобретения является упрощениеустройств, уменьшение нх массы и габаритов и улучшение качества преобразованной электроэнергии,Поставленная пель достигается тем,что в известном стабилизированноМ преобразователе, содержащем основной ивспомогательный инверторы с выходными 16трансформаторами, вторичные обмоткикоторых выполнены с отводами, кщочи сдвухсторонней проводимостью, одними концами подключенные к отводам вторичной .обмотки трансформатора основного инвер- итора с заданным соотношением чисел витков, а также блок управления, вкщочающийв себя первую систему управления основным инвертором и упомянутыми ключамии вторую систему управления вспомогательным инвертором, управляющими входами связанную с выходом преобразователяи с первой системой управления, концывторичной обмотки трансформатора вспомогательного инвертора и ее отводы, числом 25равные числу отводов вторичной обмоткитрансформатора основного инвертора ивыполненные с тем же соотношением чисел витков, подкщочены к другим концамсоответствующих кщочей с двухсторонней ЗОпроводимостью,На фиг, 1 представлена схема стабилизированного статического преобразователя,.на фиг, 2 - диаграммы напряжений на отдельных элементах схемы, 35Преобразователь содержит основной нерегулируемый инвертор 1 с первой системой 2 управления, состоящей из задающегогенератора 3 и кольцевой пересчетнойсхемы 4, выходной трансформатор 5 сотводами 6-12 вторичной обмотки, ключи 13-18 с двухсторонней проводимостью,образующие циклоконвертор, выходнойфильтр 19, блок 20 обратной связи, вспомогательный регулируемый инвертор 21,со второй системой 22 управления и свыходным трансформатором 23 с отводами24-30 вторичной обмотки, а также демодулятор 31,50Рассмотрим работу преобразователя(фиг. 1) при формировании трехступенчатого напряжения с количеством подыинтервалов ь каж(ом тактовом интервале Х=2 (фиг.2).Задающий генератор 3 схемы 2 управленияформирует прямоугольный сигнал 32, который поступает на управляющие электродыключей и тиристоров основного инвертора,Такое же по форме и частоте нащажение . 94 6формируется на вторичной обмотке силового,трансформатора 5, При помощи кольцевой пересчетной схемы 4 получают последовательность прямоугольных импульсов, которые поступают на соответствующиеуправляющие электроды кщочей 13-18, соединенных с отводами 6-8, 10-12, 2426, 28-30 вторичных обмоток трансформаторов основного и вспомогательногоинвертора, На вторичной обмотке трансформатора, вспомогательного ннвертора формируется прямоугольное напряжение ЗЗ,34 с регулируемой скважностью (используется двухсторонняя модуляция), чтодостигается за счет определенного управления ключами инвертора 21 при помощисистемы 22 управления. В момент времени , (фиг. 2) импульс управления псступает на управляющий вход ключа 15,и суммарное напряжение частей обмоток8 и 9 и 26-27 прикладывается к нагрузке, При этом напряжение части обмотки26-27 может быть с обеими знаками(как вычитаться - 35, так и суммироваться - 36), В момент времени 14 включают ключ 16 (15 выключается) и к нагрузке подкщочают части обмоток 9-10и 27-28, Очевидно, что обмотки 8-9 и9-10, 26-27 и 27-28 одинаковые, таккак они формируют напряжение одноготактового интервала,Число подынтервалов (К=2) может вы-. бираться любой величиной, а соотношение амплитуд части обмоток 8-9 и 26-27, 7-9 и 25-.27, 6-9 и 24-27 зависит от диапазона регулирования Е рег -Оюа О Так, например, при Е.ра,. =2 напряжения указанных частей обмоток находятся в соотношении 1; О, ЗЗ. При формировании вь ходного напряжения во второй тактовый, интервал (1 1 д ) поочередно включают ключи 14 и 17 и т, д, Таким образом, при максимальном напряжении питания инвертор 21 формирует напряжение 33 без нулевой паузы и его величина вычитается из напряжения нерегулируемого инвертора. При снижении напряжения питания (или ином возмущающем воздействии) за счет. замктнутой системы стабилизацииосуществляется уменьшением длительнооти импульса до нуля (режим вольтовычитания), При дальнейшем снижении входного напряжения длительность импульса регулируемого инвертора начинает изменяться от нуля и до максимальной величины (режим вольтодобавки) и суммируется с напряжением основного инвертора. При та-, ком построении преобразователя фаза выСтабилизированный преобразователь постоянного напряжения в переменное мно-. гоступенчатой формы, содержащий основной и вспомогательный инверторы с выходными трансформаторами, вторичные обмотки которых выполнены с отводами, ключи с двухсторонней проводимостью, одними концами подключенные к отводам вторичной обмотки трансформатора осно ного инвертора с заданным соотношением чисел витков, а .также блок управления, включающий в себя первую систему управления основным инвертором и упомянутыми ключами и вторую систему управления вспомогательным инвергором управляющими входами связанную с выходом преобразователя и с первой системой управления, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения, уменьшения массы и габаритов и улучшения качества преобразован- . ной электроэнергии, концы вторичной обмотки трансформатора вспомогательного инвертора и ее отводы, числом равные числу отводов вторичной обмотки трансформатора основного инвертора и выполненные с тем же соотношением чисел витков, подключены к другим концам соответствующих ключей с двухсторонней проводимоо 7 75269 ходного напряжения в процессе регулирования остается неизменной, что является необходимым условием для питания определенного рода нагрузок.К отводам 24, 25,26,28,29,30 и 9 подключен демодулятор (фиг, 1), на выходе которого формируется постоянное напряжение 37. На вход демодулятора (относительно отвода 9) поступает ступенчатое напряжение нерегулируемого инвертора, которое, например, при помощи выпрямителей выпрямляется (38) иприпомощи делителей транзисторов, управляемых с выхода кольцевойпересчетнойсхемы,преобразуется в постоянное. Сигнал на выходе демодулятора 1 пропорционален мгновенному значению выходного многоступенчатого напряжения нерегу- лируемого инвертора и учитывает внешнюю характеристцку преобразователя и колебание напряжения питания, Таким об- о разом, резкое изменение напряжения пита.ния или нагрузки ( в переходных режимах) приводит к мгновенному изменению сигнала на выходе демодулятора, в схеме кото рого отсутствуют реактивные элементы, и мгновенному изменению длительности импульса напряженйя рополнительного инвертора, Дополнительная стабилизация выходного напряжения преобразователя в статическом режиме достигается эа счет использования главной обратной связи.Такое построение преобразователя позволяет уменьшить величину перерегулирования (промла) выходного напряжения в переходных режимах и уменьшить длитель ность переходного процесса, Кроме того, в предлагаемой схеме используется один циклоконвертор, а значит по сравнению с прототипом уменьшается в 2 раза количество тиристоров, их масса и габариты, При этом величина тока через ю - ый вентиль в процессе стабилизации выходного напряжения при постоянной нагрузке остается неизменной, что еще дает выиграш в установленной мощности, массе и габаритов циклоконвертора, Величина габарщ- ной мощности трансформаторов предлагаемого устройства такая же как и прототи па и определяется двумя крайними режимами (напряжение питания минимальное и максимальное, нагрузка активная). Из анализа процессов установлено, что относительная мощность выходного фильтра Рр в предлагаемом устройстве несколь 8ко меньше, чем в известном (при Я рет= = 2=6 К=2, Р, = 1), максимальный коэффициент искажения синусоидальности К 1 рассматримемого преобразователя 5,2%, а у прототипа 7,3%. Кроме этого неоЬ- ходимо отметить, что схема управления предлагаемого преобразователя значительно проще схемы управления известного,Формула изобретения Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторскор свидетельство СССР315167, кл, б 05 Р 1/10 1967.2. Авторское свидетельство СССР позаявке Ид 2525693/07 кл, Н 02 М7515 1977,3, Непосредственные преобразователичастоты, Киев, изд-е общества "Знание,1977, с. 32,4. Авторское свидетельство СССР позаявке2576286/07 Н 02 М 7/515,197 8.