Преобразователь постоянного напряжения в переменное ступенчатой формы

,ЯО Ш 1 Н ОЗМ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТОРСКОМУ С ЕЛЬСТ 07 каждой сераллельнообмотке овключены ии вторичной обмотки, пведенной дополнительнойовного магнитопроводаполнительно введенные ц юл. Ф(088 е св 02 М свид 02 М свид равляемых оличество ледовательно соединенных уключей переменного тока,указанных цепочек равно чи тво ССС981,о СССР980.о СССР982. идетел 7/48, тельс 7/48,лу вспомопричемй каждой дов клю гательных магнитопров параллельно одному из цепочки включена указ тельная обмотка соотв ная дополнительс 7/48,по тств 02 де нитоп ей на ов гательного ма число ступе рти периода.ТОЯНет ряжения и -СТУ- ертор, ой образователь по п. 1, о т и й с я тем, что приП лича П= 7 о ный маг ричной к себя один основнои магничающего топрово змещенными на нем послебмотки равно трем, при этомние витков между частями соующих секций, размещенных соенно на основном и вспомогасекаж -коными между соб мотки, причем нения секций ательно с зан й о оотноше циями вторич дая из точек цы вторичной выходным выв ответс оед бмо етс ки подключеныреобразовател тельном магнитопроводах, ра ам ов тчи а витков допол.омогательного е где нит ка частоты, счетчика ульс ифраем,щ и ора, о т л и ч то, с целью ул ого напряжения пол ислу витк основного магнитопровода кнительной обмоткпровода. ито чшения к путем умен га рмо ник,бжен всповыход ния еформа тель нь 2, ото.о при по и разовател 3. Преол и ч а юП = 10 соо о коэффициента орный узел сна ми магнитопров с ошение витков м вторичной обмот ами, причдов размеи часть м н тями секц 6:21:3;2 ень 1 аждом из магнитопро полнительная обмот тко ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬ(54)(57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕПЕНЧАТОЙ ФОРМЫ, содержащий инвыходом подключенный к первичмотке трансАорматорного узла,рез управляемые ключи перемен тока, а также блок управления последовательно соединенных з держит один вспомогатель- провод, число секций вто 111250940 50 55 Изобретение относится к электротехнике и может быть использованопри построении полупроводниковых преобразователей электрической энергии с высоким качеством выходногонапряжения.Известны преобразователи постоянного напряжения в переменное, в которых для формирования П -ступенчатого напряжения требуется несколькоисточников постоянного напряжения сразличными значениями выходного напРяжения 1 .Однако наличие большого числатаких источников усложняет схему преобразовательной установки, снижаетее надежность и экономическую эффективность, Кроме того, необходимопринимать дополнительные меры дляравномерной выработки ресурса каждого источника. В случае необходимостигальванической развязки и согласования входных и выходных параметровтребуется установка силового трансформатора, работающего на основной(выходной) частоте, что ухудшаетмассогабаритные характеристики преобразователя,Известны также преобразователи,содержацие инвертор, выходом подключенный к первичной обмотке трансформатора, и выходной коммутатор науправляемых ключах переменного тока,связывающий вторичную секционированную обмотку трансформатора с приемниками электрической энергии Недостатком указанных преобразователей является то, что структуры их выходных цепей имеют ограниченные воэможности по Формированию блиэкогс к синусоидальному напряжения. Улучшение качества выходного напряжения за счет увеличения числа секций вторичной обмотки и числа ключей комму татора не всегда оправдано из-эа ухудшения технико-экономических показателей преобразователя.Наиболее близким к изобретению является преобразователь постоянного напряжения н переменное 1 -ступенчатой формы, содержащий инвертор с трансформатором, у которого вторичная обмотка трансформатора выполнена четырехсекционной, а выходной коммутатор содержит десять управляемых ключей переменного тока, в также блок управления, состоящий из задатчика частоты, счетчика импуль 1 О2025ЗО35 сов и дешифратора. Такой преобразователь способен сформировать выходное напряжение с коэффициентом гармо. ник порядка 10% 3 .Однако дальнейшее улучшение формы кривой выходной напряжения преобразователя требует либо применения фильтров, что связано с ухудшением КПД и динамических. характеристик, либо увеличения числа управляемых ключей переменного тока, что приводит к снижению надежности преобразователя и коэффициента использования управляемых ключей по току.Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения путем уменьшения его коэффициента гармоник.Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения в перемнное Л -ступенчатой Формы, содержащем инвертор, выходом подключенный к первичной обмотке трансформаторного узла, включающего в себя один основной магнитопровод с размещенными на нем последовательно связанными между собой секциями вторичной обмотки, причем каждая из точек соединения секций и концы вторичной обмотки подключены к выходным выводам преобразователя через управляемые ключи переменного тока, а блок управления в ниде последовательно соединенных эадатчика частоты, счетчика импульсов и дешифратора, трансформаторный узел снабжен вспомогательными магнитопроводами, причем на каждом из магнитопроводов размещены дополнительная обмотка и часть витков каждой секции вторичной обмотки, параллельно введенной дополнительной обмотке основного магнитопровода включены дополнительно введенные цепочки, состоящие каждая из двух последовательно соединенных управляемых ключей переменного тока, количество указанных цепочек равно числу вспомогательных магнитопроводов, причем параллельно одному иэ ключей каждой цепочки включена указан ная дополнительная обмотка соответствующего вспомогательного магнитопровода, где П - число ступеней напряжения на четверти периода. При й = 7 преобразователь содержит один вспомогательный магнитопровод, число секций вторичной обмотки равно трем, при этом соотношение вит ков между частями соответствующих1112509 топроводах, равно 10 провода. 6:2 :3:2 1:1: 1 . 15 секций, размещенных соответственнона основном и вспомогательном магии 4,9: :2,1:7:7,4:1,2 ,5 где 1 - отношение числа витков дополнительной обмотки вспомогательного магнитопровода к числу витков дополнительной обмотки основного магнитоКроме того, при и = 10 соотношение витков между частями секций вторичной обмотки равно На Фиг. 1 представлен один из возможных вариантов схемы преобразователя с трансформаторным узлом, составленным из двух отдельных (основного20 и вспомогательного) магнитопроводов; на фиг, 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Предлагаемый преобразователь(фиг. 1) содержит источник 1 постоян 25 ного напряжения, управляемые ключи 2 и 3 постоянного тока, основной 4 и вспомогательный 5 магнитопроводы трансформаторного узла, первичную обмотку 6, размещенную на основном З 0 магнитопроводе и подключенную к выходу промежуточного высокочастотного инвертора, дополнительную обмотку 7 основного и дополнительную обмотку 8 вспомогательного магнитопроводов, З 5 вторичную секционированную обмотку, состоящую из последовательно включенных обмоток 9-14, управляемые ключи 15-24 переменного тока. Параллельно дополнительной обмотке 7 основного 40 магнитопровода 4 включена цепочка из последовательно соединенных ключей 15 и 16, причем параллельно ключу 16 подключена дополнительная обмотка 8 вспомогательного магнитопровода 5. 45 Вторичная обмотка имеет три секции: первую (обмотки 9 и 10), втору (обмотки 11 .и 12) и третью (обмотки 13 и 14). Обмотки 9, 11 и 13 размещены на основном магнитпроводе 4, а обмот ки 10, 12 и 14 - на вспомогательном магнитопроводе 5. Выводы секций вторичной обмотки через соответствую-.щие ключи 17-24 соединены с каждым из выходных выводов преобразователя, 55 К вьмодным выводам преобразователя подключены приемники 25 электрической энергии. 4На диаграммах напряжений (Фиг, 2)применяются следующие обозначения;напряжение на первичной обмотке 6 (1-30 - полупериоды промежуточной частоты), 0 8 - напряжение на дополнительной обмотке 8 вспомогательного магнитопровода 5 0 15 - ступенчатоое напряжение на приемниках 25электрической энергии (выходное нап 1ряжение преобразователя) , 01 - 07напряжения соответственно 1-7-й ступеней выходного напряжения; 15 - 0,24напряжения управления (управляющиеимпульсы), поступающие на полностьюуправляемые ключи 15-24 переменноготока (положительный уровень напряжений управления соответствует открытому состоянию ключей).Устройство работает следующим образом,Одна часть ступеней в выходномнапряжении преобразователя Формируется из напряжений (или комбинаций напряжений) Ц, Ц 1, и Ц 3 обмоток 9, 11и 13. При этом ключ 15 разомкнут (закрыт), дополнительная обмотка 9 вспомогательного магнитопровода 5 эашунтирована замкнутым (открытым) ключом16, ЭЛС Ц , Ц 12 и 014 во вторичных обмотках 10, 1 и 24 равны нулю,а формообразование ступеней осуществялется соответствующей коммутациейключей 17-24. Вторая часть ступенейформируется при подключении дополнительной обмотки 8 вспомогательногомагнитопровода 5 к дополнительнойобмотке 7 основного магнитопровода 4,когда ключ 15 замкнут, а ключ 16 разамкнут.В этом случае ЭДС наводится гво всех обмотках 9-14, и, следовательно, каждая секция вторичной обмотки.полностью участвует в формированиивыходного напряжения,Таким образом, введение трансформаторной связи между магнитопроводами 4 и 5. позволяет увеличить число .ступеней в выходном напряжении и тем самым расширить функциональные возможности преобразователя.Соотношения между напряжениями (числами витков) обмоток 9-14, а также порядок соединения оботок в секциях ( согласное или встречное) определяются на этапе проектирования преобразователя и зависят от выбранно. го закона Формирования выходного напряжения.45 Формирование положительной лолуволны выходного напряжениясостоящего из семи ступеней, поясняютдиаграммы на фиг. 2.Напряжение первой ступени ( (фиг,)5формируется путем подключения приемников 25 электрической энергии кпоследовательно включенным обмоткам11 и 12 через открытые ключи 20 и21 переменного тока либо 19 и 22 10(2- и 3 - й полупериоды промежуточнойчастоты). Поскольку в течение указанных полупериодов промежуточной частоты дополнительная обмотка 8 вспомогательного магнитопровода 5 отключена от дополнительной обмотки 7 основного магнитопровода 4 закрытым ключом 15 (диаграмма О 5 ) и зашунтирована открытым ключом 16 (диаграмма О 6 ),то ЭДС в обмотке 12 равна нулю, а 20напряжение первой ступеньки , равно напряжению О, обмотки 11.Напряжение второй ступеньки ц(фиг, 2) формируется в течение 4-гои 5-го полупериодов промежуточной 25частоты, когда ключ 15 открыт, аключ 16 закрыт (диаграммы О 5 и О 6),При этом обмотка 8 подключается кобмотке 7, магнитопровод 5 вступаетв работу (диаграмма О 8 ), в его вто - 30ричных обмотках 1 Л, 12 и 14 индуктируются соответствующие ЭДС, а напряжение второй ступеньки О 2 формируется путем подключения приемников25 электрической энергии к последова-З 5тельно включенным обмоткам 11 и 12через открытые ключи 20 и 21, либо19 и 22, т,е. О = О и + 02где О 2 Ф О.Напряжение третьей ступеньки и40формируется путем подключения приемников 25 электрической энергии к обмоткам 9 и 10 через открытие ключи18 и 19 либо 17 и 20 (6-й и 7-й полупериоды промежуточной частоты),, при этом обмотка 8 по-прежнему остается подключенной к обмотке 7 (диаг(Раммы ц 5, О 6 и Ов ), т.е. О 3= О 9 + ОНапряжение четвертой ступенькиО формируется соответствующей коммутацией ключей 21-24 (фиг. 2). Вэтом случае (8-й и 9-йполупериоды)ключ 15 закрыт, ключ 16 открыт, ЗДСв обмотке 14 равна нулю и, следовательно, ц 4 О 3 (фиг, 1),Напряжение пятой ступеньки ц 5формируется аналогично коммутацией ключей 21-24 (полупериоды 10-й и 11-й), но- при этом магнитопровод 5 снова вступает в работу путем подключения, обмотки 8 к обмотке 7 (диаг. раммы О 8, О 5 и О 16 ), поэтому О,=О+ О 14 ф О+ 0Напряжение шестой ступеньки 0 6 формируется подключением к выходным выводам преобразователя посредством ключей 20 и 23 либо 19 и 24 последовательно соединенных обмоток 11-14 (12-й и 13-й полупериоды), Поскольку на интервале шестой ступеньки магнитопровод 5 размагничивается обмоткой 8, замкнутой накоротко открытым ключом 16, и ЭДС в обмотках 10, 12 и 15(равны нулю, то напряжение О 6 состоит из суммы напряжений О и 1 обмоток 11 и 13.Седьмая ступенька в выходном напряжении О 5 формируется при включении в работу вспомогательного магнитопровода 5 путем коммутации ключей 17, 18, 21 и 22, причем И = О 9 + + Ц,01 + О (фиг.и фиг. 2).Дальнейшее формообразование выходного напряжения происходит аналогично. Формирование нулевой паузы между полупериодами выходного напряжения осуществляется шунтированием выходных выводов преобразователя, например, ключами 17 и 18.Предлагаемая с 1 сема преобразователя с приведенным на фиг. 2 законом управления ключами переменного тока позволяет получить распределение высоты ступеней по синусоидальному закону, основанному на принципе равенства напряжения ступени и среднего напряжения соответствующего участка синусоиды, аппроксимирующей кривую выходного напряженияСоотношение между напряжениями на вторичных обмотках 9-14 при этом равно(И,+Оо): О О: З:4 = = 5,9:2,1:2,0:7,4:1,2.При (1 " 7 число витков междучастями секций равноф 9О"( 1 гф 13ф 1 Ф = 4,9: :2,1:21:1,2 ,где ( - отношение числа витков дополнительной обмотки 8 вспомогательного магнитопровода к числу витков дополнительной обмотки 7 основного магнитопровода.Испытания макетного образца преобразователя с указанным распределением высоты ступеней (выходная мощность 300 Вт, частота выходного напряжения 50 Гц) показали, что коэф фициент гармоник в его выходном напряжении составляет 1 = 6 Х, причем обмотку 10 из схемы можно исключить.В частном случае, предлагаемая схема (Фиг, 1) при другом законе управления ключами переменного тока и при соотношении между напряжениями с 1 о И11; 1 Ъ И= 6:2:3:2:1:1 15 позволяет получить десятиступенчатую Форму выходного напряжения с равномерным распределением высоты .ступеней (1;2:3:4:5 10). СоотношениеЮ витков между частями секций вторичной обмотки при этом выбирается следующим102 И 4= 6:2 1:3:2 :1:1 с . 25Кроме того, предлагаемый преобразователь позволяет получить шести- ступенчатую Форму выходного напряже.ния ( й = 6) с любым соотношением амплитуд ступенек, что также превышает возможности известного устройства при равном количестве силовых ключей . в предлагаемой и известной схемах. Функциональные возможности предлагаемого преобразователя значительно повышаются при увеличении числа вспомогательных.магнитопроводов в трансформатором узле. Так, например, добавление в схему на фиг. 1 второго вспомогательного магнитопровода и соответственно цепочки иэ двух дополнительных ключей переменного тока позволяет увеличить число ступенек с независимыми одна от другой амплитудами до й = 9, В схему известного устройства, обеспечивающую такую же форму кривой выходного напряжения, потребуется введение десяти дополнительных ключей переменного тока (при девяти секциях во вторичной обмотке), что резко снижает надежность известного преобразователя и, кроме того, ухудшает его массогабаритные показатели. Блок управления предлагаемого преобразователя выполняется в виде последовательно соединенных задающего генератора, двоичного шестизарядного счетчика с коэффициентом пересчета М = 62 и дешифратора. Выходы дешифратора через усилители-формирователи связаны с управляющими входами ключей преобразователя. Структура дешифратора синтезируется на основе алгоритмов на Фиг. 2./41 Тираж 666ВНИИПИ Государствепо делам изобре 3035, Москва, Ж,Подписное омитета ССС открытий ая наб., д.