Преобразователь постоянного напряжения в многоступенчатое квазисинусоидальное

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоцналнстнческнхРеслублнк пп 90 5962(22) Заявлено 10)3380 (21) 2892188/24-07с присоединением заявки Мо(1) М. Кп. Н 02 М 7/48Н 02 Р 13/18 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(088.8) Дата опубликования описания 15.02.82 1 Киевский ордена Ленина политехнический инст тут . нм, 50-летия Великой Октябрьской социалистиИсттой"- революции(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В МНОГОСТУПЕНЧАТОЕ КВЛЗИСИНУСОИДАЛЬНОЕ Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в прецизионном частотно- регулируемом электроприводе, а также в качестве исполнительных органов АСУ, прецизионных станков с ЧПУ, автоматических манипуляторов. В этих случаях к приводу предъявляется ряд специфических требований, что обуславливает целесообразность использования .преобразователей с АИМ) амплитудно-импульсной модуляцией выходного напряжения по сравнению с широтно- импульсной модуляцией ШИМ) . Предпочтительность АИМ в точной аппаратуре. магнитной записи обоснована в 11.Известны преобразователи постоян,ного напряжения в переменное, содер- жащие блок управления и блок силовых ключей и позволяющие Формировать и стабилизировать квазисинусоидальное напряжение с определенным гармоническим составом 2 - 8.К недостаткам преобразователя 2 относятся невозможность регулирования частоты. выходного напряжения в широком диапазоне и невозможность получения низких и инфранизких частот выходного напряжения, что иногда необходимо в устройствах прецизионного,электропривода, так .как инверторныеячейки имеют трансформаторный выход.Кроме того, точность стабилизацииквазисинусоидального напряжения преобразователя находится в прямой зависимости от числа инверторных ячеек, что приводит к резкому ухудшениюмассо-габаритных показателей при по-:вышенной точности стабилизации. Стабилизация выходного напряжения 3)осуществляется путем измерения величины напряжения основной гармонической составляющей выходного напряжения и запоминания этой величины навремя следующего периода, в которомпоступившее воздействие отрабатЫвается блоком управления. Таким образом возмущающее воздействие отрабатывается установкой. лишь через периодвыходного напряжения, что приводитк существенному снижению быстродействия и точности стабилизации напряжения. Кроме того, задержка отработки возмущающего воздействия навеличину периода выходного напряжения неизбежно приводит к искажениюФормы выходного квазисинусоидальногонапряжения, т,е. ухудшению его гармонического состава, что имеет место,например, при сбросе и набросе на 905962грузки при пусковых режимах. К недостаткам преобразователей 4) - 8) следует отнести сравнительно низкоебыстродействие стабилизации напряжения вызванное необхоцимостью выделенния основной гармоники выходного напряжения и использования ее для получения пропорционального ей напряжения, сравниваемого с эталонным нап яжением, что.возможно только поокончании по меньшей мере одного периода выходного напряжения. Недостат -ком таких преобразовательных уст-ро ств яй являются также непостоянствогармонического состава выходного напряжения при регулировании в широкихпределах его частоты или при изменении тока нагрузки, Изменение гармонического состава напряжения можетбыть недопустимо большим, например,для прецизионного многоскоростногочастотно"регулируемого электропривода при пусковых режимах. Это обусловлено значительным влиянием формыкривой напряжения питания двигателяна величину колебаний мгновеннойскорости вращения двигателя, являющейся одним из параметров такогопривода, Применение на выходе системы фильтров для подавления высшихгармоник и использование принципаслежения за Формой выходного сигналатакже далеко не всегда целесообразно, так как в системе преобразователь - двигатель может возникнутьявление конденсаторного самовозбуждения, которое проявляется или в виде устойчивых автоколебаний, или взастревании двигателя на скорости,не соответствующей частоте напряжения питания, что совершенно недопустимо,Наиболее близким по техническойсущности является устройство, содержащее суммирующий и инверторныйблоки с управляемыми ключевыми элементами, блок управления,а такжепоследовательно соединенные измерительный выпрямитель и аналого-цифровой блок9),Однако это устройство характеризуется недостаточно высоким быстро-,действием и точностью стабилизации,обуславливаемые задержкой отработки возмущающего воздействия. Эадержка зта объясняется тем, что возмущающие процессы конечны во времени, т.е, имеют определенную длительность, а система стабилизации осущфствляет поразрядное сравнение, выработку ошибки и преобразование еев соответствующий диод, подаваемыйна входы суммирующего блока, Такимобразом, для отработки определеннога возмущающего воздействия система должна совершить несколько цикловпа контуру стабилизации, пока выработанный ею код не компенсирует возмущающее воздействие. Недостаткомустройства является также непостоянство гармонического состава выходного напряжения в динамических режимах работы преобразователя, например,при пусковых режимах, вызванное задержкой отработки возмущающего воздействия на часть периода выходногонапряжения, Кроме того, данная структура, функционируя по принципу уравновешивания, может выходит за предеолы области устойчивости, т.е. можетбыть структурно-неустойчивой.Цель изобретения - повышение быстродействия и точности стабилизациипри повьпаенном качестве выходного напряжения.Поставленная цель достигаетсятем, чта в схему преобразователя постоянного напряжения в переменное,содержащую последовательно соединенные суммирующий и инверторный блокис управляемыми ключевыми элементами,блок управления этими ключевыми элементами, а также последовательно соединенные измерительный выпрямитель,входом подключенный к выходу инвер- .торного блока, и аналого-цифровойблок, причем суммирующий блок выполнен в виде М последовательно соединенных по выходу силовых ячеек, каждая из которых представляет собойзамкнутую цепь из последовательновключенных источника напряжения идвух ключевых элементов, силовыеэлектроды одного из которых образуют выходы ячейки, введен цифровойсумматор-вычитатель с М выходами,одним из информационных входов под;,ключенный к выходу аналого-цифрового блока другой его информационныйвход соединен с выходом блока управления, а его выходы связаны с М управляющими входами соответствующих ключевых элементов упомянутогосуммирующего блока,На фиг,1 приведена функциональнаяблок-схема преобразователя нафиг,2 - пример реализации суммирующего блока; на фиг.З - пример реализации блока управления на фиг.4пример выполнения схемы сравнения кодов; на фиг.5 - пример реализациицифрового сумматора-вычитателя нафиг,б - эпюры напряжения, иллюстри.рующие импульсы управления ключевымиэлементами К 1- К Л М и К- Ксуммирующего блока,Функциональная блок-,схема преобразователя (фиг.1) содержит блок управления 1, один из выходов которого связан с управляющими входами инвертирующего блока 2, силовой суммирующий блок 3, выход которого соединен с силовым входом инвертора 2, последовательно соединенные измерительный выпрямитель 4 и аналого-цифровой блок (АЦБ) 5, причем вход выпрямителя 4 подключен к выходу инвертора 2, а также цифровой сумматор-нычитатель б с М выходами, информационными входами подключенный к выходам блока управления 1 и АЦБ 5, а М выходами связанный с управляющими входами суммирующего блока 3.Выход инвертора 2 является выходомпреобразователя.На цифровом выходе Х блока управления 1 формируется двоичный параллельный многоразрядный код, в любоймомент времени соответствующий величине аппроксимированной синусоиды.Однако величина выходного квазисинусоидального напряжения может и несоотнетствонать этому управляющемукоду по причине, например, флуктуации питающего напряжения.Преобразователь работает следующимобразом.Квазисинусоидальное напряжение свыхода инвертора 2 после выпрямленияв блоке 4 поступает на вход аналогоцифрового блока 5, где преобразуетсяв двоичный многоразрядный код У. Кодсоответствует величине реальноговыходного напряжения. Одновременнона выходе блока управления 1 формируется двоичный многоразрядный кодсоответствующий требуемому выходному напряжению. Коды Х и У поступают на входы цифрового сумматоранычитателя б, который реализует операцию 2 Х"7. На выходе сумматора-вычитателя б формируется код, управляющий ключевыми элементами К 4 1 - К ми К 1 1 - КсУммирующего блока(фиг.2), Например, при увеличениипитающего напряжения, т.е. при увеличении выходного квазисинусоидального напряжения, код у превысит кодХ на величину 7-Х. Таким образом,для поддержания выходного напряжения неизменным необходимо из кода Хвычесть У-Х, т.е, Х-(-Х)=Х+Х-У==2 Х-УПри уменьшении выходного напряжения код У меньше кода Х на величинуХ-У, т.е. для стабилизации необходимо к коду Х прибавить Х-У:Х+(Х-У)=Х+Х-Х=2 Х-У.Таким образом, цифровой суьматорвычитатель, реализующий операциюХ+Х=2 Х"У, будучи установленным вцепи отрицательной обратной связи,обеспечинает стабилизацию выходногонапряжения.Величины напряжений источниковпитания О, П 0 П в суммирующемблоке выбираются пропорциональнымивесам двоичных разрядов управляющегокода,Блок управления 1 осуществляетформирование сигналов управления работой силовых ключей суммирующегоблока 3 и инвертора 2 в виде двоичного параллельного многоразрядногокода. Блок управления включает (фиг.3) в себя задающий генератор 7, счетчик длительности ступеней 8, программируемое эапоминающее устройство (ПЗУ) 9, реверсивный счетчик управления ключами сумматора 10, триггер (Т) управления реверсивным счетчиком 11, триггер управления ра- ботой иннертора 12) схему сравнения кодов 13, а также логические схемы И, ИЛИ, НЕ, необходимые для функционирования блока управления, 1 ИУ 9 содержит числа, записанные в двоичном коде, которые соответствуют длительностям ступеней выходного квазисинусоидального напряжения. В качестве ПЗУ может использоваться микросхема К 505 РР 1 (программируемое постоянное запоминающее устройство), облаа. дающая возможностью стирания и хранения информации при отсутствии питания, или микросхема К 505 РЕЗ.Схема работает следующим образом. 5 10 15 20 60 65 пульс переполнения счетчика 10 свыхода +Р опрокидывает триггер 11 изадним фронтом через сборку 15 вычитает единицу из счетчика. Такимобразом, после формирования первойполовины верхней ступени выход схеС момента времени, когда в счетчиках 8 и 10 записаны нулевые коды, р а Т 11 находится в состоянии ф 1Рна выходе ПЗУ установлен код, выбираемый по адресу 0 и соответствующий длительности нулевой ступени. С выхода генератора на счетныйвход счетчика 8 непрерывно поступаютимпульсы опорной частоты. При наборе в счетчике 8 кода, соответствующего длительности первой ступени,сигнал с выхода схемы сравнения кбдон 13 через открытую схему совпа-дения 14 поступает на суммирующийвход реверсивного счетчика 1. Приэтом изменяется его состояние на1 фф и обнуляется счетчик 8. Изменение состояния счетчика 10 вызы вает изменение информации на выходеПЗУ 9, которая теперь соответствуетдлительности первой ступени, а также вызывает включение источникавсумматоре 3. Счетчик длительности 45 ступеней 8 понторно заполняется импульсами генератора 7 до того момента, пока не произойдет набор кода,соответствующего длительности первойступени, поступающего с ПЗУ 9. Ана логично происходит формирование управляющего кода реверсивного счетчика 10 для всех последующих ступенейпервой четверти периода, за исключением верхней ступени. В ПЗУ записывается число, соответствующее половине длительности верхней ступени,При наборе этого кода н счетчике 8импульс со схемы сравнения 13 пере,полняет реверсивный счетчик 10 (егосостояние становится 0000). Им чобэб 2Формула изобретения Преобразователь постоянного напряжения в многоступенчатое квазисинусоидальное, содержащий последовательно соединенные суммирующий и иннерторный блоки с управляемыми ключевыми элементами, блок управления этими ключевыми элементами, а также последовательно соединенные измерительный выпрямитель, входом подключенный к выходу иннерторного блока, и аналого-цифровой блок, причем суммирующий блок выполнен в виде М последовательно соединенных по выходу силовых ячеек, каждая из которых представляет собой замкнутую цепь из последовательно включенных источника напряжения и двух ключевых элементон,силовые электроды одного из которых образуют выходы ячейки,о т л и ч а ю щ и й с я тем,что,с целью повышения быстродействия и точности стабилизации при повышенном качестве выходного напряжения, в него введен цифровой сумматор-вычитатель с 14 выходами, одним из информационных входов подключенный к выходу аналогоцифрового блока, другой его информационный вход соединен с выходом блока управления, а его выходы поразрядно связаны с 14 управляющими входами ключевых элементов упомянутого суммирующего блока.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Демченко Н.Н., Исаков Ю.А, К вопросу построения привода повышенной точности для магнитного носитеАлгоритмы переключения ключей К 1-К 44 и К,-К 24 блока 3 обеспечи вают выходное многоступенчатое квазисинусоидальное напряжение 11 ,1(фиг.б).Использование новых блоков и связей выгодно отличает предлагаемый 45 преобразователь от известного так как обеспечивают более высокие быстО родейстние и точность стабилизации вы- ходногО напряжения, Для отработки какого-либо возмущающего воздействия система должна совершить только одинцикл по контуру стабилизации, что обеспечивает формирование кода, компенсирующего нозмущение. Таким образом, данная система обеспечивает стабилизацию по мгновенному значению с бОлее высокими быстродействием итфчностью, что особенно ценно при отработке быстродействующих переходных процессон, режимах стабилизации выходного напряжения при изменении то ка нагрузки и широких пределах, система янляется структурно-устойчи ной.Предлагаемое решение обеспечивает более качестнонную стабильность гар мы сравнения оказывается подключенным к вычитающему входу счетчика 10,а его состояние определяется как1111, т,е. с выхода ПЭУ подаетсякод, соответствующий длительностиполовины верхней ступени. При наборев счетчике 8 кода, соответствующегополовине нерхней ступени, импульс свыхода схемы сравнения 13 поступаетна нычитающий вход счетчика 10 иуменьшает его состояние на единицу Ои т.д. При переходе счетчика 10 через 0 происходит опрокидываниетриггеров 11 и 12 и аналогично формируется отрицательная полунолна выходного напряжения. Триггер 12 предназначен для управления работой клю 5чей инвертора 2,11 а Фиг.4 представлен вариант ис -полнения схемы сравнения кодов 13разрядноствю 14 с поразрядным сравне -нием. 20Входными сигналами А 1,А, ,Ам.,А,и ВЭ, В, В, Вм этой схемыявляются выходные сигналы триггера 8и ПЭУ 9 соответственно,На Фиг.5 - пример схемной реали -зации цифрового сумматора-вычитателя б. Индексами 1.1-Собозначены еговыходные сигналы. Для выполнения опе -рации 2 Х- код Х (Х,Х,ХЗ,Х 4) подается на входы схемы со сдвигом влево З 0на один разряд, что соответствует умножению кода Х на два, а код Ч поступает на входы сумматоров с инверсиейУ, (, 14), что соответствует вычитаю кода, 11 ри этом на один из 35входов сумматора младшего разряданеобходимо подавать сигнал логической единицы,монического состава выходного напряжения как в установившемся и динамическом режимах, так и при отработке переходных и быстротекущих возмущающих процессов за счет более высокого быстродейстния системы, простоту схематической реализации преобразователя, а также возможность получения любой заданной Формы выходного напряжения (включая постоянное) за счет наличия ПЗУ в блоке управления.При использовании преобразователя для питания синхронного микроднигателя типа ДСПпри регулировании частоты от 25 до 400 Гц и при наличии 4 суммирующих ключей в суммирующем блоке коэффициент гармоник выходного напряжения поддерживается строго постоянным в установившемся переходных и пусковых режимах, и составляет 2,5.Указанные достоинства позволяют использонать предлагаемое устройстно в прецизионном электроприноде, а также в качестве исполнительных органов антоматизированных систем управления,ля,-Вопросы радиоэлектроники. Сер,ОТ, 1974, вып. 9, с. 73 - 80,2, Авторское свидетельство СССР9 505104, кл.02 М 7/48, 1971,Э, Егоров В.А., Кисляков ьЭ,В.,Обухсв С.Г. Регулирование и стабилизация выходного напряжения ннвертора напряжения. В кн, Современныезадачи преобразовательной техники.Ч. 4, К., 1975. с, 157-165,4. Патент США 9 3473039,кл. 307-11, 1969. 5. Патент СЛЛ 9 3697768,кл. 307-31, 1971.6, Заявка Великобритании Р 1288741кл, П 02 3 Э/1, .1974.7. Заявка Франции 9 2178806,5 кл. П 02 р 13, 00, 1973,8, Заявка ФРГ 9 1513228,кл. Н 02 р 13/20, 1974,9. Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 2703429/24-07,кл. 11 02 М 7/48, 1979.905962й ВНИИПИ Заказ 394/72 Тираж 718 Подписно Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная,4