Преобразователь постоянного напряжения в квазисинусоидальное переменное

(088.8) ллетень1 по делам изобретен ткрыти писания Авторыизобретени(71) Заявитель осковский ордена Ленина энергетический институ ис- ис- маока та- то- бу- пивы Р 11- баз и(еаоси) ой ип ти е- ля разовательнои техники и может бытьпользовано для построения вторичныхточников питания устройств электроавтотики и электроприводов переменного тмалой мощности (до единиц кВА), рабоющих как на переменную, так и на посянную нагрузку в тех случаях, когда треется согласование уровней напряженийтающей сети и потребителя, а также пошенное качество преобразованной электческой энергии и приемлемые массо-гаритные показатели источника.Регулирование частоты и напряжениятакже повышение качества энергии находе статических преобразователей реазуется в автономных инверторах напряния путем различных видов модуляций. Нибольшее распространение получили шротно-импульсная модуляция (ШИМ)амплитудно-импульсная модуляция (АИМЭти методы формирования напряжениянованы или на изменении (модуляцдлительности отдельных импульсов равамплитуды (ШИМ), или на изменен(модуляции) амплитуды и длительноступеней (АИМ).Перспективным способом улучшения гмонического состава выходного напряния инверторов является АИМ. АИМ д преобразованной электрической энергии реализуется с меньшими коммутационными потерями за счет меньшего числа тактовых интервалов и реализуется более простой системой управления,Известны инверторы с АИМ, обеспечивающие формирование выходного напряжения с малыми искажениями 1, 2, 3.Инверторы с АИМ по схемному признаку можно разделить на три класса, К первому классу относятся инверторы, в которых ступенчатое напряжение формируется путем поочередного подключения с помощью ключей отпаек обмоток трансформатора, работающего на выходной частоте 4.Ко второму классу относятся инверторы, формирующие ступенчатое напряжение за счет использования нескольких источников питания с различными уровнями напряжения питания 5.Общим недостатком схем инверторов, относящихся к первому классу, является наличие трансформатора, работающего на выходной частоте, и имеющих поэтому неприемлемые массо-габаритные показатели.Недостатком второго класса инверторов является их сложность, необходимость иметь несколько гальванически развязанных источников питания или наличие вы45 50 55 60 65 ходных трансформаторов, по крайней мере,один из которых работает на выходной частоте.В значительной степени свободны отэтих недостатков инверторы с промежуточным звеном высокой частоты, относящиесяк третьему классу 6.Инверторы последнего класса содержатоднофазный инвертор, согласующий высокочастотный трансформатор с секционированными обмотками и коммутатор, ключикоторого поочередно подключают секцииобмоток.Наиболее близким по существу технического решения является преобразователь,относящийся к третьему классу 7. Он содержит однофазный инвертор высокой частоты, выход которого подключен к первичной обмотке согласующего высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом иотпайками, расположенными симметричноотносительно среднего вывода, и образующими вместе с двумя концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, коммутатор на У управляемых ключах, поочередно переключающих отпайки на вторичной стороне трансформатора, и блок управления. Блок управления включает в себязадающий генератор и многоканальный распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора.Выходные выводы преобразователя образованы средним выводом вторичной обмоткитрансформатора и точкой объединения одних силовых концов управляемых ключейкоммутатора, а другие силовые концы этихключей соединены с выходными выводамитрансформатора. В этом случае можно повысить частоту напряжения на первичнойобмотке трансформатора и, следовательно,улучшить его массо-габаритные показатели. Рабочая частота трансформатора в известном решении превышает частоту напряжения в нагрузке в У раз (У/2 - числоступеней на четверти периода выходногонапряжения преобразователя) .Для достижения высокого качества напряжения на выходе преобразователя приходится нерационально увеличивать числоуправляемых ключей коммутатора, что усложняет решение и является недостаткомтакого типа преобразователей.Цель изобретения - уменьшение коэффициента гармоник выходного напряженияпреобразователя без увеличения числа ключей коммутатора,Поставленная цель достигается тем, чтов известном преобразователе постоянногонапряжения в квазисинусоидальное переменное, содержащем однофазный инверторвысокой частоты, выход которого подключен к первичной обмотке согласующего высокочастотного трансформатора, вторичнаяобмотка которого выполнена со средним 5 15 20 25 30 35 40 выводом и отпайками, образующими вместе с двумя концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, коммутатор на У управляемых ключах и блок управления, включающий в себя задающий генератор и многоканальный распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора, причем выходные выводы преобразователя образованы средним выводом вторичной обмотки трансформатора и точкой объединения одних силовых концов управляемых ключей коммутатора, а другие силовые концы этих ключей соединены с выходными выводами трансформатора, распределитель импульсов выполнен 2 У-канальным, его выходные каналы связаны с управляющими входами ключей однофазного инвертора высокой частоты через узел формирования управляющих сигналов, обеспечивающий подачу управляющих импульсов на ключи этого инвертора для формирования его выходного напряжения и подачу управляющих импульсов на смежные ключи инвертора, т. е. на ключи, подсоединенные к общей точке цепи питания, для формирования пауз в выходном напряжении, каждый выходной с-ый канал распределителя из числа (У - 1) совместно с (2 У - ) -ым каналом связан также с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логический элемент ИЛИ, причем управляющие входы ключа подсоединены к отпайке с минимальным числом витков, связаны через логический элемент ИЛИ не только с 1-ым и (2 У - 1)-ым, но и с 2 У-ым каналом распределителя, а число витков -го выходного вывода трансформатора с числом витков его У-го выходного вывода связано соот- ношением где У - число ключей коммутатора, равное числу ступеней на четверти периода выходного напряжения преобразователя;=1, 2, , У - номер выходного вывода трансформатора при отсчете от среднего вывода его вторичной обмотки попеременно в одну и другую от него сторону в направлении увеличения числа витков отпаек,Узел формирования управляющих сигналов однофазного инвертора высокой частоты содержит два триггера и логические элементы И и ИЛИ, входы обоих триггеров объединены и вместе со входами У-входового и (У - 1) -входового элементов ИЛИ образуют входы узла формирования управляющих сигналов, причем входы У-входового логического элемента ИЛИ связаны с нечетными каналами распределителя импульсов, при отсчете от первого канала, входы (У - 1)-входового логического элемента ИЛИ связаны с четными каналами распределителя импульсов, а входы тригге.ров - с 2 У-ым его каналом, одни входы второго и третьего двухвходовых логических элементов И подключены к прямому выходу одного триггера, одни входы первого и четвертого двухвходовых логических элементов И подключены к инверсному выходу этого триггера, другие входы первого, третьего и второго, четвертого двухвходовых логических элементов И попарно подключены к выходам соответственно (Л - 1)- входового и Л 1-входового логического элементов ИЛИ, выходы первого, второго и третьего, четвертого логических элементов И попарно связаны через логические элементы ИЛИ с одними входами соответственно первого, второго и третьего, четвертого логических элементов ИЛИ, ко вторым входам первого, третьего и второго, четвертого этих логических элементов ИЛИ соответственно подключены выходы двух двухвходовых логических элементов И, входы которых соединены с входом триггеров и выходами второго триггера.На фиг. 1 представлена принципиальная схема силовой части предлагаемого преобразователя для случая Л=4; на фиг, 2 - блок управления этим преобразователем; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя по фиг. 1; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы регулируемого по напряжению варианта преобразователя по фиг. 1; на фиг. 5 - зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения преобразователя от числа ступеней (У) на четверти периода его выходного напряжения.Рассмотрим конкретный пример предлагаемого преобразователя с У=4, т. е, когда коммутатор преобразователя имеет четыре управляемых ключа и кривая напряжения на выходе преобразователя состоит из четырех ступеней. Предлагаемый преобразователь содержит однофазный инвертор 1 высокой частоты, выполненный на ключах 2 - 5. Инвертор 1 нагружен на первичную обмотку 6 согласующего трансформатора 7. Его вторичная обмотка 8 выполнена со средним выводом 9 и отпайками 10, 11, образующими вместе с двумя концами 12, 13 этой обмотки выходные выводы 10 - 13 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 (см. фиг. 2) содержит задающий генератор 20, многоканальный распределитель 21 импульсов и узел 22 формирования управляющих сигналов, довательностн импульсов управления, подаваемые на ключи 2 - 5;У,р - форма выходного напряжения преобразователя;У 1,р - форма напряжения на первичной обмотке 6 трансформатора 7;014 в . У 1, - сигналы управления, пода.55 ваемые на управляющиевходы ключей 14 - 17 коммутатора 18,При подключении питания к блоку управления и силовой части преобразователя 60 и замыкания ключей 3, 4 ннвертора 1 напервичной обмотке 6 согласующего высокочастотного трансформатора 7 формируется отрицательный импульс напряжения 1.11,р.Полярность обмоток трансформатора тако ва, что при замыкании ключа 15 коммута. 50 Задающий генератор 20 подключен кмногоканальному распределителю 21 импульсов, который выполнен восьмпканальным, причем первый его канал совместно с 5 седьмым и восьмым, второй совместно сшестым, третий совместно с пятым и четвертым связаны с управляющими входами соответственно ключей 15, 16, 14, 1 коммутатора 18 через логические элементы 10 ИЛИ. Распределитель 21 импульсов связантакже с управляющими входами ключей 2 - 5 высокочастотного инвертора 1 через узел 22 формирования управляющих сигналов. Узел формирования 22 управляюгцих 15 сигналов выполнен в виде шести двухвходовых логических элементов И 23 - 28, шести двухвходовых логических элементов ИЛИ 29 - 34, одного трехвходового 35 и одного четырехвходового 36 логических эле ментов ИЛИ и двух триггеров 37 и 38.Входы триггеров 37 и 38 объединены ивместе с входами элементов 35 и 36 образуют входы узла формирования управляющих сигналов 22. Выходы триггера 37 и 25 элементов 35, 36 через элементы И 23 - 26связаны со входами логических элементов ИЛИ 29, 30, выходы которых подключены к одному нз входов логических элементов ИЛИ 31 - 34. Вторые входы элементов 31 - 30 34 с выходами логических элементов И 27,28, входы которых подключены к выходам и входу триггера 38. Выходы элементов ИЛ 1 Л 31 - 34 связаны с управляющими входамп ключей 2 - 5 однофазного пнвертора 35 1 через буферные усилители 39.Принцип формирования ступенчатого выходного напряжения поясняется на фиг. 3, где показаны ТИ (тактовые импульсы) на выходе .задающего генератора 20.40 12 - 5 - сигналы управлен 11 я, подаваемые на управляющие входы ключей 2 - 5 инвертора 1;У 4 и У , - две дополнительные послетора 18 па цагрузкс формируется первая ступень положительной полуволцы выходного напряжения У,р, При замыкании ключей 2 и 5 инвертора 1 па обмотке 6 формируется положительный импульс напряжения У,р. Замыканием ключа 16 формируют вторую ступень выходного напряжения, Дальнейшее формирование ступеней происходит аналогично в соответствии с временными диаграммами, представленными на фиг, 3.Для формирования паузы между полу- волнами выходного напряжения с помощью триггера 38 и логических элементов И 27, 28 выделяют две дополнительные последовательности импульсов У, 4 и Уа 5, с частотой, равной выходной частоте преобразователя, сдвинутые между собой на угол л.В соответствии с последовательностями импульсов У, 4 и У, замыкают парыФсоседних ключей 2, 4 и 3, 5 однофазного инвертора 1, принадлежащих разным его стойкам, тем самым подключая первичную обмотку 6 согласующего трансформатора 7 к общей точке цепи питания.Ценой некоторого усложнения устройства управления можно построить вариант преобразователя с регулированием длительности импульсов выходного напряжения. Регулирование 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.Простейший алгоритм управления ключами инвертора, обеспечивающий регулирование длительности импульсов выходного напряжения, основан на том, что широтное регулирование вводится па каждом интервале квантования выходного напряжения. Принцип его поясняется временными диаграммами на фиг, 4, где показаны:У в : У; - сигналы управления, подаваемые па управляющие входы ключей 2 - 5 инвертора 1;У 4 и Уа- две дополнительные последовательности импульсов управления, подаваемые наключи 2 - 5;Ур - форма напряжения на первичной обмотке 6 трансформатора 7;У,р - форма выходного напряжения преобразователя;0,4 в . Уп - сигналы управления, подаваемые на управляющие входы ключей 14 - 17 коммутатора 18.АИМ может осуществляться с разным Числом ступеней ца четверти периода вы 5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 65 ходпого напряжения преобразователя, с четным или нечетным числом переключений (и) ключей коммутатора ца полупериоде выходного напряжения, а также с паузой между полуволпамп выходного напряжения пли без нее.В известном решении, принятом за прототип, ступенчатое напряжение формируется с четным и и без паузы между полуволцами выходного напряжения. 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 и с паузой между полуволнамп выходного напряжения. В этом случае число ключей коммутатора равно числу степеней на четверти периода выходного напряжения и при равном с прототипом числе управляемых ключей коммутатора предлагаемый преобразователь имеет мепыпий коэффициент гармоник выходного напряжения, так как при том же числе ключей удается увеличить число ступеней на полупериоде выходного напряжения.Так при числе ключей коммутатора Т= =4 известное решение имеет коэффициент гармоник К,=0,23 и формирует двухступенчатое напряжение без паузы между его полуволнами. Предлагаемый преооразователь прп том же числе ключей имеет К,= =0,133 и формирует четырсхступенчатос напряцссние с паузой,Предложенный преобразователь может применяться во всех тех случаях, когда требуется преобразование постоянного напряжения одного уровня в одпофазное цапрякение другого уровня заданной фиксированной частоты,В принципе, выходную частоту можно регулировать за счет изменения частоты задающего генератора. Диапазон регулирования прп этом ограничен нижней рабочей частотой согласующего трансформатора.В качестве полностью управляемых ключей с двусторонней проводнмостьх, примененныхх в коммутаторе, могут быть использованы или встречно-параллельно включенные управляемыс ключи (транзисторы илп тиристоры), или диодные мосты с управляемыми ключами ца их выходах.Целесообразное число ступеней У выбирается в каждом случае применения в зависимости от требования к искажению выходного напряжения.Зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения от числа ступеней, позволяющая осуществить выбор числа М в каждом конкретном случае, представлена на фиг. 5.Фор мул а из о бр ете ни я1, Преобразователь постоянного напряжения в квазисинусоидальное переменное.где 50 55 содержащий однофазный инвертор высокой частоты, выходом нагруженный на первичную обмотку согласующего высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом и с отпайками, образующими вместе с двумя концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, коммутатор на У управляемых ключах и блок управления, включающий в себя задающий генератор и многоканальный распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора, причем выходные выводы преобразователя образованы средним выводом вторичной обмотки трансформатора и точкой объединения одних силовых концов управляемых ключей коммутатора, а другие силовые концы этих ключей соединены с выходными выводами трансформатора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения искажений выходного напряжения без увеличения числа ключей коммутатора, распределитель импульсов выполнен 2 Л-канальным, его выходные каналы связаны с управляющими входами ключей однофазного инвертора высокой частоты через узел формирования управляющих сигналов, обеспечивающий подачу управляющих импульсов на ключи этого инвертора для формирования его выходного напряжения и подачу управляющих импульсов на смежные ключи инвертора для формирования в выходном напряжении пауз, каждый выходной -ый канал распределителя из числа (У - 1) совместно с (2 Л - )-ым каналом связан также с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логический элемент ИЛИ, причем управляющие входы ключа, подсоединенного к отпайке с минимальным числом витков, связаны через логический элемент ИЛИ не только с 1-ым и (2 Л - 1)-ым, но и с 2 У-ым каналом распределителя, а число витков -го выходного вывода трансформатора с числом витков его У-го выходного вывода связано соотношением;11 ю ч= з 1 п1 в 2 Ж У - число ключей коммутатора, равное числу ступеней на четверти периода выходного преобразователя; =1, 2, , У - номер выходного выводатрансформатора, при отсчете от среднего вывода его вторичной обмотки попеременно в одну и другую 5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 от него сторону в направлении увеличения числа витков.2. Преобразователь по п. 1, отл ича ющ и й с я тем, что узел формирования управляющих сигналов однофазного инвертора высокой частоты содержит два триггера и логические элементы И и ИЛИ, входы обоих триггеров объединены и вместе со входами И-входового и (У - 1) -входового элементов ИЛИ образуют входы узла формирования управляющих сигналов, причем входы Ж-входового логического элемента ИЛИ связаны с нечетными каналами распределителя импульсов, при отсчете от первого канала, входы (У - 1)-входового логического элемента ИЛИ связаны с четными каналами распределителя импульсов, а входы триггеров - с 2 Л-ным его каналом, одни входы второго и третьего двухвходовых логических элементов И подключены к прямому выходу одного триггера, одни входы 1-го и 4-го двухвходовых логических элементов И подключены к инверсному выходу этого триггера, другие входы 1-го, 3-гон 2-го, 4-го двухвходовых логических элементов И попарно подключены к выходам соответственно (Л - 1) -входового и Ж-входового логических элементов ИЛИ, выходы 1-го, 2-го и З-го, 4-го логических элементов И попарно связаны через логические элементы ИЛИ с одними входами соответственно 1-го, 2-го и З-го, 4-го логических элементов ИЛИ, ко вторым входам 1-го, 3-го и 2-го, 4-го этих логических элементов ИЛИ соответственно подключены выходы двух двухвходовых логических элементов И, входы которых соединены с входом триггеров и выходами второго триггера,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авт. свид. СССР Н 02 М 5/42 Ло 436419, 1972,2. Патент США, кл, 321 - 9, Мо 3652918, 1975,3. Патент ФРГ, кл. Н 02 М 7/44, ЪЪ 2160869, 1973.4. Авт. свид, СССР Н 02 М 7/48 Мо 280629, 1968.5. Авт. свид. СССР Н 02 М 5/48, Мо 414%8 1971.6, Авт. свид. СССР Н 02 М 5/42 Уо 449425, 1971.7. Повышение эффективности устройств преобразовательной техники. Ч. 4. Киев, Наукова думка, 1973, с. 127 - 136 (прототип) .пография, пр. Сапунова,аказ 755/19НПО Поиск Изд.279 Тираж 798 Подписно дарственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5