Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное и устройство для его осуществления

(19) (11) 02 И 7 Й НОМИТЕТ ССОБРЕТЕНИЙ И ОТН ГОСУДАРСТВЕНПО ДЕЛАМ ИЗ ЕТЕНИЯ ЛЬСТВУ АВТОРСКОМУ СЬ(71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторскийинститут по автоматизированному электроприводу в промышленности, сельскомхозяйстве и на транспорте(56) 1. Бай Р,Д Фельдман А.В.,Чабанов А.П. Проектирование глубокорегулируемых асинхронных электропривдов подачи станков с ЧПУ.-ФЭлектротехникаф, 1981,б, с. 18,рис.2,2. А.ВосЬг 1 пдег и др. Регулируемыеасинхронные электроприводы для станков.-Иег)сз 1 а 1 йз 1 есЬп 3 Лс) ,1979,69,8 (463-473),3. Васильев В.Г. Мощные импульсные транзисторные каскады для активно-индуктивной нагрузки.-ЭТвА,1976,8, с, 173-183.4. Кобзев А.В., Михалъченко Г.Я.,Тараскин А.В. Преобразование параметров электрически энергии модуляционными методами в системах со звеном повыщеннбй частоты, В сб.:Магнито-вентильные преобразователи напряжения и тока. Томск, изд-во Томского госуниверситета, 1176, с.78-93,5. Мыцык Г.С., Чесноков А.ВИнверторы с промежуточным высокочастотным .преобразователем для частбтно-управляемого электропривода.УШ ВН-ТК по проблемам автоматизированного электропривода, силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе. Ташкент,1979.б. Дыхненко Ю.И.,Мельничук Д.П.формирование кваэисинусоидальногонапряжения широтно-импульсной модуфляций в преобразователях с промежуточным звеном повышенной частоты.Всесоюзная .научно-техн.конф. фПроб-лемы преобразовательной техникифф,1 У, Киев, 1979, с115-117. 7. Буденный жуточное повыше разователях с с контуре. Всесою ф 1 Проблемв прео ки. Ч.П, Киев,А.В.,Сен ние част уммирова зная иау бразоват 1979, с. ко В.Иты в пием вно-техельной5-38. Промееоббщем(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОЗАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В КВАЗИСИНУСОИДАЛБНОЕИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, (57) 1. Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальоф ное путем инвертирования постоянного напряжения в переменные прямоугольные напряжения, которые модулируют по фазе относительно одного прямоугольного напряжения, затем суммиро В ванием модулируеюх й опорного напря- ь жений формируют одно результирующее Цф напряжение, о т л и ч. а ю щ и й с я рве тем, что, с целью повышения надежности преобразования при повышенном напряжении питания, упомянутые моду- Я .лируемые и опорное напряжение дублируют, фазы вторых модулируемых напряжений изменяют на противоположные по отношению к фазе первых модулируемых напряжений иэ вторых напря.жений, вырабатывают второе результирукщее напряжение, затем каждое из упомянутых результирукщих напряжений выпряввяют, причем с помощью одного выпрямленного напряжения задают потенциа на нагрузке в положительном направлении относительно отрицательного вывода источника питания, а с помощью другого выпрямленного напряжеийя - потенциал на нагрузке в отрицательном направлении относительно положительного вывода источник ка питания.2. Устройство для преобраз ия постоянного напряжений в кваз усоидальное с многофазным выхо содержащее инверторные ячейки енератор опорного напряжения,1023590 10 ключенные к шинам питания, а такжеблок управления, состоящий иэ синхронизированных генератором опорногонапряжения фазовых модуляторов идискриминатора уровня, причем к выходу каждой ячейки подключена перваяобмотка соответствующего трансформатора, вторые обмотки кОторых объединены в общем контуре, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения надежности при одновременномулучшении массогабаритных и стоимостных показателей и при отсутствии требований по гальванической развязкепитающего и выходного напряжений, накаждую фазу введены по два диодныхвыпрямителя, дополнительный трансформатор, первая обмотка которого соединена с силовым выходом упомянутого генератора, а вторая обмоткаобъединена с вторыми обмотками транс.форматоров ячеек в последовательную цепь, в которой половина обмоИзобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в частотно-управляемых электроприводах и вторичных источниках питания. 5 Известны инверторы, в которых преобразование напряжения осуществляетсябез гальванической трансформаторнойразвязки, т,е, беэ согласованияуровней питающего напряжения и напряжения нагрузки.Известен инвертор с питаниемот источника постоянного напряжения,выходы которого образованы парамиполупроводниковых (обычно транзисторных) ключей, переклйчающихся в противофазе в режиме широтно-импульсноймодуляции 1.При увеличении мощности и переходек бестрансформаторному питанию через 20выпрямитель от сети переменного тока380 Всущественного увеличиваютсятрудности,на пути создания таких преобразовательных устройств,Известны устройства 21 и 3 , 25в которых реальные преобразователис широтно-импульсным управлением от- .личаются очень большой сложностьюпостроения управляющей цепи и силовой цепи, где требуется введение 30большого количества дополнительныхреактивных элементов, значительноухудшающих технологичность изделия иповышающих его стоимость,Кроме того, очень высока стоимостьз 5сильноточных высоковольтных транток упомянутых трансформаторов включена согласно с обмоткой дополнитель.ного трансформатора, а половина -встречно, концы цепи соединены свходами первого выпрямителя, входы вто,рого выпрямителя связаны с последовательной цепью, составленной из третьихобмоток трансформаторов ячеек,в которой также половина обмоток включенавстречно, а половина - согласно стретьей обмоткой дополнительноготрансформатора, причем вторая итретья обмотки каждого трансформатора ячейки включены в последовательные цепи во взаимно противоположном между собой направлении по отно"шению к соответствующей обмотке дополнительного трансформатора, дваразнополярных вывода выпрямителейсоединены между собой и образуютсоответствующий выход устройства,два других подключены в непроводящемнаправлении к шинам пнтания,зисторов, необходимых при созданиимощных приводов с непосредственнымпитанием от переменной сети 380 В,Если же сильноточные ключи собиратьна базе параллельных сборок относительно слаботочных транзисторов,топоявляются дополнительные трудности из-эа неравномерности распределения токов в динамике, в момент выключения, Это резко снижает надежность работы ключей на высоких напряжениях и требует снижения максимально допустимой величины питающего напряжения.Высоковольтные транзисторы имеютобыччо низкий коэффициент усиленияпо току, и при управлении ключамив режиме широтно-импульсной модуляции расходуется большая мощностьв цепи управления. Для обеспечениянормальной работы ключей нужны дополнительные гальванически развязанные источники, от которых и забирается мощность на управление, Проблема создания быстродействующей иразвязанной от силовой цепи системы управления силовыми ключами является сложной,Силовые транзисторы крайне чувствительные к перегрузкам, поэтому необходима исключительно быстродействующая система защиты инвертора отразличных видов перегрузокИзвестны преобразователи, содержашие промежуточное звено повышенной частоты Г 4 3Е 53 )ф Гб 3.При использовании промежуточногозвена повышенной частоты легко организуется режим АШИЯ, при этом в несколько раэ уменьшается уровень нелинейных искажений по .сравнению с режимом ШИИ. Этот принцип применя ется и в приводах 53Ииверторы с промежуточным высокочастотным преобразованием развязывают нагрузку от цепи питания и одновременио согласовывают уровни входных и выходных напряжений с пбмощью демодуляторного узла, выголвенного на активных приборах с двусторонней проводимостью 6 и Г 73Применение активных приборов в де модуляторе сильно снижает надежность работы и увеличивает потери мощности,10 В некоторых случаях не требуютсясогласование и развязка, поэтому демодулятор может быть упрощен.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ преобразования с промежуточным повиаеинем частоты в преобразователях с суммированием в общем контуре, заключающийся в преобразовании постоянного напряжения источника питания в переменные прямоугольные напряжения, которые модулируют по Фазе относительно одного прямоугольного опорного напряжения, затем иэ модулируемых и опорного напряжений путем 20 25 30 Поставленная цель достигается тем,60 что согласно способу преобразованияпостоянного напряжений в кваэисинусоидвльное, заключающемуся в инвертировании постоянного напряжения в переменные прямоугольные напряжении,65 и х суммирования формируют результирующее напряжение 7.Известно устройство для осуществления способа преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное, содержащее инверторныеячейки и генератор опорного напряжения, подключенные к шинам источникапостоянного напряжения, а также блок 40управления, состоящий иэ синхронизированных генераторов опорного напряжеиия Фазовых модуляторов уровня,приэтом к выходу каждой ячейки .подключена первая обмотка соответствующеготрансформатора, вторые обмотки которых объединены в общем контуре 7.Недостатком известного технического решения является невысокая надежность работы и сравнительно высокие массогабаритные и стоимостныепоказатели устройства на его основе, обусловленные построением дееоуляторов на ключах с двустороннейпроводимостью,Цель изобретения - повышение иа- Ыдежности преобразования при поввамнном иапряжении питания и одновременное снижение массогабаритных и стоимостных показателей,которые модулируют по фазе относи тельно одного опорного прямоугольного напряжения, затем суьинрованием модулируемых и опорного напряжений формируют одно результирующее напряжение, упомянутые модулирусмые и опорное напряжения дублируют, фазы вторых модулируемых напряжений изменяют на противоположные по отношениюк фазе первых модулируемых напряжений, из вторых напряжений вырабатывают второе результирующее напряжение, затем каждое из упомянутых напряжений выпрямляют, причем с помощьюодного выпрямленного напряжения задают потенциал на нагрузке в положительном направлении относительно отрицательного вывода источника питания, а с помощью другого выпрямленного напряжения - потенциал на нагрузке в отрицательной направлении относительно положительного вывода источника питания,В устройство, реализующее предлагаемый способ и содержащее инверторные ячейки и генератор опорного на пряжения, подключенные к шинам питания, а также блок управления, состоящий иэ синхронизированных генератором опорного напряжения Фазовых мо:дуляторов и диксриминатора уровня, ,причем к выходу каждой ячейки подклю.ена первая обмотка соответствуюего трансформатора, вторые обмотки кбторых объединены в общем контуре, дополнительно на каждую фазу нагрузки введены по два диодных выпрямителя и дополнительный трансформатор,первая обмотка которого соединена с си-. ловым выходом упомянутого генератора, а вторая обмотка объединена с вторыми обмотками трансформаторов ячеек в последовательную цепь, в которой половина обмоток упомянутых трансформаторов включена согласно с обмоткой дополнительного трансформатора, а половина - встречно, концы цепи соединены с входами первого выпрямителя, входы второго выпрямителя связаны с последовательной цепью, составленнай иэ третьих обмоток трансформаторов ячеек, в которой также половина обмоток. включена встречно, а половина - согласно с третьей обмоткой дополнительного трансформатора, причем вторая и третья обмотки каждого трансформатора ячейки. включены в последовательные цепи во вэаимнопротивоположном между собой направлении по отношению к соответствующей обмотке дополнительного трансформатора, два разнополярных выхода выпрямителей соединены между собой и образуют соответствующий выход устройства, а два других подключены в непроводящем направлении к шинам питания.На фиг, 1 изображена структурная схема и-фаэного инвертора начетырех ячейках на Фиг, 2 - временные диаграммы напряжений в устройстве при01 на фиг. 3 - то же,при Пх 0; на Фиг, 4 - временные диаграммы выхОдных напряжений и тока("Вых нюхфНа Фиг. 1 обозначены иннерторныеячейки 1 - 14, генератор опорногонапряженйя 2, трансформаторыячееки генератора ЗЛ - 3, первые обмотки трансформаторов 4 - 4, вторыеобмотки трансформаторов 5 л - 5,третьи обмотки трансформаторов бл,выпрямители 7 л - 7, нагрузки 8 л,блок управления 9, инверторы дляодной фазы нагрузки 10 - 10 н.Инверторные ячейки 1 - 14 и генератор опорного напряжения 2 включенымежду шинами источника постоянного 20напряжения (+О,-(, Выход инверторной ячейки соединен с первой обмоткой 4+ - 44 травоформатора 3 - 34, авыход генератора 2 - с первой обмоткой 4 трансформатора 3 . Вторые 25обмотки трансформатора 5 л - 5 подключены к входу выпрямителя 7 л, атретьи обмотки бЛ - б этих же трансформаторон - к входу выпрямителя 7Общая точка выпрямителей подсоедине- З 0на к одной фазе и"фазной нагрузки 81Входы ячеек соединены с выходами модуляторон блока управления 9.Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное осуществляется следующим образом.Постоянное напряжение источника преобразуется в прямоугольные напряжения 5 - 54 , которые в зависимости от входного сигнала х модулируют 40 ся по фазе ощносительно опорного прямоугольного напряжения 5 , Затем модулируемые и опорное напряжение суммируются н перном контуре. Модулируемые и опорное напряжение дублируют таким образом, что фазы вторых модулируемых.напряжений б - 64 по отно 4шению. к фазе второго опорного напряжения б изменяют на противоположное ,по сравнению с Фазой первых модулиру емых напряжений .5 л - 5 4 по отношению к фазе первого опорного напряжения 5 Все вторые напряжения объединяют во нтором контуре, т.е. вырабатывают второе общее напряжение, затем каждое иэ упомянутых напряжений обоих контуров выпрямляют и регулируют синхронно и в противофазе. С помощью одного выпрямленного напряжения опре" деляется потенциал на нагрузке в положительном направлении относи тельно отрицательного вывода источ-. ника питания - (1 (4), а с помощью другого выпрямленного напряжения потенциал на нагрузке в отрицательном направлении относительно положи 65 тельного вывода источника питания+ ( 4),Устройство работает следующим образом,При=0 выходные напряженияячеек не сдвинуты по фазе относительно опорного напряжения, амплитуда которого равна половине напряжения источника питания. Так каквторые и третьи обмотки трансформаторов 3 и 34. включены, встречноотносительно соответствующих обмоток трансформаторов Зл и Зл , тона входы выпрямителей 74 и 7 поступает лишь опорное напряжение,и. на выходах выпрямителей получается сигнал равный половине напряжения источника питания, при этомна нагрузке - нулевой сигнал относительно этого среднего потенциала шиы источников питания,При 8 х,7 0 изменяется фаза выходного напряжения ячейки 1 Л . Соответственно этому изменяются напряжения на входах и выходах выпрямителей 71 и 7 . Причем, если напряжение на выходе выпрямителя 7относительно шины силового источника питания +(1 уменьшается, то навыходе выпрямителя 7 стносительношины силового источника питания -оно на такую же величину увеличивается, Эти изменения но времени происходят синхронно (фиг, 2),Максимальное напряжение фазы напряжения инверторной ячейки 11 равно 180,При дальнейшем увеличении входного напряжения сдвиг Фазы напряженияиннерторной ячейки 1 л остается неизменным и максимальным (180 ) иначинается изменения фазы напряжениявторой инверторной ячейки 1 , Примаксимальном входном напряжениисдвигФазы напряжения и этой ячейкидостигает 180 О , что соответствуетмаксимальному значению выходногонапряжения на выходе Фазы инвертораПри отрицательном значении напряжения Фазы напряжений первый двухинверторных ячеек неизменны и равныО, а изменяются Фазы напряжений сначала третьей 19, а затем четвертой14 инверторных ячеек до 180 (фиг.З),На этой Фиг. 4 изображены выходные напряжения верхнего и нижнеговыпрямителей, каждое из которых имеет в качестве опоры потенциал верхней и нижней шины источника питания,Иэ диаграммы видно, что сумма напряжений выпряМителей в любой момент времени всегда равна или несколько меньше (на 1-2 В) величины напряжения питания его источника.Благодаря этому не возникает режим К.З. и в то же время обеспечивается вполне определенное положение потенциала выхода в любой момент времени.На фнг. 4 приведена также диаграмма тока при работе на активно- индуктивную нагрузку и доказано, что при одном направлении тока в нагрузке работает только один иэ выпрямителей независимо от величины выходного напряжения, а при другом направлении тока в нагрузке Твступает в работу второй выпрямитель, а предыдущий переходит в режим холостого кода.:Число инверторных ячеек определяется мощностью инвеотоюа и допустимыми токами через ячейку. 15Амплитуды выходных напряжений на второй и третьей обмотке трансформатора генератора опорного напряжения должны равняться половине напряжения источника питания и превышать амплитуды напряжений на второйи третьей обмотках каждого трансформатора инверторной ячейки в числораз равное количеству ячеек в фазеннвертора. Мощность генератора опорного напряжения на каждую фазу нагрузки должна составлять половинумощности фазы. предлагаемое устройство значительно сокращает число элементов на одну фазу нагрузки, так как демодуляция в нем осуществляется на простых диодных выпрямителях беэ ключей с двухсторонней проводимостью, йоэтому резко новиаается надежность работы устройства и снижаются массо- габаритные и стоимостные его показатели.