Способ формирования квазисинусоидального напряжения и устройство для его осуществления

ОП ИСАНИ И ЗОБРЕТЕ Н И К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ Союз Советск илСоцмалистическикРесттубттик 1 Ц 1001435(61) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 14.03.80 (2 ) 2893043/2 с присоелинением заявки Рй 5)М. Кл. Н 02 Р 13/18 //Н 02 М 7/537 Гфсударстеелиый кемитет 23) Приоритет СССРелем кзебретеиий и открытий Опубликовано 28,02. 83 етень Ж 53) УДК 621. 31457(088.8ата опубликования описания 28.02с: т 72) Автор Г.С. Мыцык и А. В. Чесно зобретени 1 осковский ордена Ленина и ордена Октябрь энергетический институтАНИЯ КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНОГОРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИ ль ся заИзобретение относится к электротехнике, а именно к преобразователь ной технике и может быть использова но при построении как централизован ных вторичных источников питания (ВИП) с синусоидальным выходным напряжением, так и децентрализованных ВИП применяемых в частотно управляемых электроприводах во всех случаях, когда требуются согласование уровней напряжений питания и потребителя, улучшенные качество выходного напряжения (тока) и массогабаритные показатели ВИП;.Известен целый ряд способов фор мирования квазисинусоидального выхо .ного напряжения путем амплитудно-им пульсной (АИМ) или широтно-импуль ной (ШИМ) его модуляции 1)Однако реализация, например, последнего способа, основанная на использовании вертикального принципа управления, требует формировани дающих сигналов аналогового типа частотой, равной выходной частотеВИП). Форма этих сигналов - (прямоугольная) треугольная, трапецеиданая или синусоидальная, определяетвид ШИМ. Недостатком такого путисинтеза ВИП являются невозможностьдостаточно просто и удовлетворительно решить задачу согласования уровнейнапряжения питания и потребителя, особенно при низких выходных частотах,характерных для частотного пускадвигателей. Блок усиления и развязкиуправляющих сигналов также, как исиловая часть ВИП в этом случае имеют невысокие технико-энергетически показатели, а информационная часть системы управления имеет невысокую помехоустойчивость и точность,Известен способ получения квази синусоидального напряжения с двухп лярной ШИМ по трапецеидальному за" кону, который основан на АИМ второ го рода (с глубиной модуляции, рав ной 1) высокочастотного напряжения3. 10014 одной частоты Г, напряжением другой частоты Г , причем скважность модулирующего напряжения задается, равной трем ( 2 .Недостатком данного спссоба является сравнительная сложность аппаратурной его реализации, которая обусловлена необходимостью формирования трехфазного высокочастотного напряжения даже в вариантах преобра О зователя с однофаэным выходом, Кроме того, модулятор устройств, реализующих данный способ, обладает сравнительно невысокими массогабаритными показателями из-эа наличия трех фазного трансформатора и плохого использования его вторичных обмоток, так как они нагружаются лишь 1/3 периода частоты модуляции ГМ (или выходной частоты), что приводит к ухуд О шенным массогабаритным показателям устройства в целом.Наиболее близким к предлагаемому является способ получения квазисинусоидального напряжения с ШИН по треугольному закону, заключающийся в инвертировании постоянного напряжения в высокочастотное переменное с частотой Г . Путем последующей амплитудно-импульсной модуляции второЗО го рода (с глубиной модуляции, равной двум) этого напряжения, осуществляемой при помощи модулятора на ключах с двухсторонней проводимостью, коорые управляются сформированной последовательностью импульсов с ча- .35 стотой Г (обеспечивающих попеременно открытое, длительностью 7 г состояние этих ключей) на выходе преобразователя формируют напряжение с ШИН40 по треугольному закону. Частота основной гармоники выходного напряжения при этом равняется Е=Г -Г 3 1.1 МК недостаткам известного сйособа формирования квазисинусоидального напряжения следует отнести невысокое45 качество выходного напряжения, а также низкие технико-экономические показатели реализующей его аппаратуры.Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь, который содержит высокочастотный инвертор выходом через согласующий трансформатор, подключенный к силовому входу амплитудно-импульсного модулятора выполненного по схеме однофазного инвертора на ключах с двухсторонней проводимостью, причем управляющие входы ключей высокочастотного инвертора и модулятора связаны через два делителя частоты с разными коэффициентами деления с задающим генератором.Недостатки известного устройства обусловлены несовершенством реализуемого им способа и характеризуются ухудшенными массогабаритными показателями из-за увеличенной установленной мощности его элементов, что определяется невысоким содержанием основнсй гармоники в спектре выходного напряжения.Цель изобретения - улучшение качества квазисинусоидального напряжения за счет уменьшения его коэффициента гармоник, увеличения содержания основной гармоники и улучшение технико"экономических показателей реализующей его аппаратуры.Поставленная цель достигается тем, что в способ формирования квазисинусоидального напряжения частоты Р путем амплитудно-импульсной модуляции 2-го рода с глубиной модуляции, равной двум, переменного напряжения чатоты Г сигналом прямоугольной форчастоты Гл на крайних интервалах длительностью И/12 (1+и) периода частоты Г расположенных на полупериодах кваэисинусоидального напряжения симметрично по обе стороны относительно точек перехода его основной гармоники через ноль, значение частоты Г задают равным Г =Г - - Г, а6М= и -ина средних интервалах длительностью %6(5-и) периода частоты Г расположенных на каждом полупериоде частоты Г между указанными крайними интервалами, значение частоты Г изменяют и задают равным Г , где и - любое дробное или целое число, выбранное из неравенства 0 ( и ( 5.При формировании однофазного квазисинусоидального напряжения число и задают, равным 287.При Формировании трехфазной системы квазисинусоидальных напряжений, предназначенной для питания трехфазной нагрузки, соединенной в звезду без нулевого провода, число и задают, равным 1,33.устройство, содержащее высокочастотный инвертор, выходом через согласующий трансформатор подключенный к силовому входу амплитудно-импульсного модулятора, выполненного по схеме однофаэного инвертора на полностью управляемых ключах с двухсторон1001 ч 35 40 50 55 ней проводимостью, причем управляющие входы ключей высокочастотного инвертора и модулятора связаны соответственно через первый и второй де" лители частоты с выходом задающего генератора, снабжено последовательно соединенными переключателями цастоты следования импульсов с выходов первого и второго упомянутых делителей частоты, распределителем импульсов и третьим делителем частоты, вход которого подключен к выходу задающего генератора, а переключаемый выводпереключателя соединен с управляющими входами ключей модулятора через дополнительно введенный триггер со счет" ным входомСоотношение 11/1 выбирают в зависимости от требований к качеству выходного напряжения, причем тем ближе к единице, чем выше эти требования.На фи г. 1 предста влены Формы выходных напряжений О сформированных по известным способам ШИМ: а) по треугольному закону( 2), б по трапецеидальному закону (3), в преобразователях с однофазным выходом; г,) и д) соответственно то же, но в преобразователях с трехфазным выходом при соединении трехфаэной нагрузки в звезду, в), е ) формы напряжений О сфор мированных по предлагаемому способу, соответственно в преобразователях с однофаэным и трехфаэным выходами приразличных и, на Фиг, 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип предлагаемого способа Формирования квазисинусоидального напряжения при п=1, на которых обозначено: О - выт 4 сокочастотное напряжение частоты (период Т 4 ); О - вид модулирующегосигнала частоты т 4 (период Т ); О,- вид сигнала с АИМ 2-го рода с глубйной модуляции, равной двум по периодическому, линейно-изменяющемуся закону на интервале длительностью 1/б в обе стороны от точек перехода 0 и Г(основной гармоники показана тонкой линией) выходного напряжения О ,- частоты Г (с периоИдом Т) через ноль; Оь, вид выпрямленного в соответствйи с полярностью Ов сигнала частоты Г на интервале длйтельностью 2 Т//3 на каждом полупеРиоДе Оь 0 р Ор=Оц Оцьа, О 8,- вид выИ)+л) ходного напряжения трехфазного варианта преобразователя, на фиг, 3- блок-схема однофаэного преобраэова 356телят позволяющего реализовать предлагаемый способ," на фиг. 14 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.При реализации предлагаемого способа постоянное напряжение питания инвертируют в высокочастотное пере" менное напряжение Оу с частотой На фиг. 2 выбран случай с п=1. При данном и на интервалах длительностью //6, расположенных пообе стороны относительно( точек перехода основной гармоники О через ноль осуществля-.1)ют амплитудно" импульсную модуляцию второго рода высокочастотного напря" жения Оу, напряжением О другой чам стоты, с глубиной модуляции, равной двум, по периодическому, линейно-изменяющемуся закону. В общем случае, такую модуляцию осуществляют на интервалах длительностью При этом, на данных интервалах фор"мируют напряжение с ШИМ (а точнеес двухполярной ШИМ-ДШИМ) полинейномузакону (пунктиром показана средняялиния этого напряжения, фиг, 2). Навсей остальной части периода упомянутую амплитудно-импульсную модуляциювторого рода (с той же глубиной модуляции)высокочастотного напряжения ча"стоты Оосуществляют той же частотойГ 1, Формируя неизменное по знаку выпрямленное напряжение в соответствиис полярностью полупериодов выходного напряжения.Устройство (Фиг. 3) содержит задающий генератор 1, три делителя 2-4частоты, узел 5 формирования управляющих сигналов инвертором, собственно инвертор 6, к выходу которого под"ключен трансформатор 7 и модулятор 8,выполненный на ключах 9 и 1 О с двухсторонней проводимостью: Выходы делителей частоты 2 и 3 через последовательно соединенные переключатель11 частоты следования управляющихимпульсов и триггер 12 связаны. с управляющими входами ключей 9 и 10 модулятора 8. Распределитель.13 импульсойсчетным входом подключен к выходутретьего делителя ч частоты, а выходом - к управляющему входу переключателя 11,Устройство работает следующимобразом, 7 10014Сигнал 01 (фиг. 4) с выхода задающего генератора 1 поступает на входы трех делителей 2.-4 частоты, первые два из которых обеспечивают формиро" вание последовательностей импульсов з частот 2 Г и 2 Г (О и О фиг. Эти частоты соответствуют Г =1 -, - Гй 4 1-И а третий делитель 4, обеспечивает формирование последовательности импульсов 04, период частоты которых 10 равен Ч Переключатель 11 частоты следования импульсов обеспечивает поступление на счетный вход триГгера 12 последовательностей импульсов или частоты 2 т или частоты 21 в соответ4ствии с разрешающим сигналом ОВ, с выхода распределителя 13 импульсов. При этом единица на выходе распределителя 13 импульсов соответствует прохождению последовательности О , а ноль прохождению ОПереключатель 11 частоты следования управляющих импульсов, выполняет следующую логическую операцию: Сигнал Опредставляет собой последовательйость импульсов переменной частоты. Переключатель 11 может быть выполнен либо ввиде двух транзисторов, на управляющие входы которых поступают сигналы О, и О, либо в инУтегральном исполнении на микросхеме 2-2 И-ИЛИ, После прохождения по 35 следовательностей импульсов О: и ОИ соответственно через узел 5 формиро-. вания управляющих сигнвлов и триггер 12 последовательности импульсов О и О поступают на управляющие входы соответственно ключей инвертора 6 и модулятора 8. На выходе преобразователя формируют выходное напряжение О с ШИМ по трапецеидальному закону..Отметим, что в общем случае число и может принимать все возможныезначения в диапазоне Осп 5, в том числе и дробные. При этом изменяются значения коэффициента гармоник выходного напряжения преобразовате ля, а также относительное содержа-.ние его основной гармоники. Например, в однофазном варианте преобразователя, оптимальным с точки зрения коэффициента гармоник (Кг), является случай с и = 2,о/ что соответствует длительности интервала, на котором осуществляют АИМ, равной примерно 62 эл,град.). Основная гармоника при этом составяяет 1 ь,1,039 О где О, - максимальное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора 7 модулятора 8. Предельно достижимое значение коэффициента гармоник тока нагрузки при этом лежит в области значений меньших 0,05 в зависимости от соьЧ нагрузки по сравнению с предельно достижимым значением Кг в прототипе, равным 0,12.В трехфазных вариантах преобразователей, реализующих предложенный способ формирования, оптимальными с точки зрения Кг являются следующие значения п=1,33 и п=3,93, Основная гармоника при этом составляет соответственно О,х 1,196 О,дхи О , = = 0,948 О а значение коэффициента" гармоник тока не превышает 0,035 в первом и 0,02 во втором случае, Предпочтительным является случай с п=1,33 так как числа л ) 3 не оптимальны изза уменьшенного значения 0 в спекеых 1 ре 08 ыкНаиболее простыми являются случаи с целократными значениями и 1-3. При больших и значение Кг в трехфазных вариантах преобразователей изменяется незначительно, а в однофазныхдаже несколько увеличивается. Поэтому для однофазного варианта преобразователя целесообразно значение п=3, а для трехфазного - п=1. Случай с п=2 занимает промежуточное значение.Устройство для реализации способа формирования квазисинусоидального напряжения обладает также более высокими массогабаритными покааателями. Например, по сравнению с прототипом ( 3 ), трансформатор 7 предлагаемого устройства при И =1 имеет в 2,59 раза, а полупроводниковые элементы схемы - 2,24 раза меньшую уста. новленную мощность,Предлагаемый способ применяется в централизованных источниках питания с выходом на переменном токе и в частотно-управляемых электроприводах. При этом регулирование выходного напряжения целесообразно осуществлять в инверторе 6, а изменение выходной частоты осуществлять за счет плавного изменения частотыв небольшом диапазоне, а также за счет дискретного изменения соотношения частот/,1. Споеоб формирования квазисинусоидального напряжения частоты Р путем амплитудно-импульсной модуляции 2-го рода с глубиной модуляции, равной двум, переменного напряжения частоты 1 сигналом прямоугольной формы частоты, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с цепью улучшения ка чества квазисинусоидального напряжения за счет уменьшения его коэффициента гармоник, увеличения содержания основной гармоники и улучшения технико-экономических показателей реа лизующей его аппаратуры на крайних интервалах длительностью 7/12(1+и) периода частоты Г, расположенных на полупериодах квазисинусоидального напряжения симметрично по обе стороны 20 относительно точек перехода его основной гармоники через ноль, значение частоты Г задают равным 1МР, а на средних интер 1+ивалах длительностью %6(5-и) периода частоты Р, расположенных на каждом полупериоде частоты Г между указанными крайними интервалами, значение частоты Г изменяют и задают равным зо Г, где п - любое дробное или целое число, выбранное из неравенства 0 пс 5,2, Способ по и. 1, о т л и ц а - ю щ и й с я тем, что, с целью обеспечения минимального значения коэффициента гармоник при формировании однофаэного квазисияусоидального напряжения, значение числа и зада" ют равным 2,87.3. Способ по и. 1, о т и и ч а - 1 В ю щ и й с я тем, что, с целью получения минимального коэффициента гар 5 10моник при формировании трехфазнойсистемы квазисинусоидальных напря.жений, используемой для питания трехфазной нагрузки, соединенной в звезду без нулевого провода, значение числа и задают равным 1,33.4. устройство для осуществленияспособа по пп, 1 и 3, содержащее высокочастотный инвертор, выходом черезсогласующий трансформатор подключен"ный к силовому входу амплитудно-импульсного модулятора, выполненногопо схеме однофазного инвертора наполностью управляемых ключах. с двухсторонней проводимостью, причем управляющие входы ключей высокочастотного инвертора и модулятора связанысоответственно через первый и второйделители частоты с выходом задающегогенератора, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что оно снабжено последовательносоединенными переключателем частотыследования импульсов с выходов первого и второго упомянутых делителейчастоты, распределителем импульсов итретьим делителем частоты, вход которого подключен к выходу задающегогенератора, а переключаемый выводпереключателя соединен с управляющимивходами ключей модулятора черездополнительно введенный триггер сосчетным входом,Источники информации,принятые во внимание при экспертизеСандлер А,С. и Гусяцкий Ю.М.Тиристорные инверторы с широтноимпульсной модуляцией, М., "Энергия",1968,2. Авторское свидетельство СССРй 660189, кл, Н 02 Р 13/18, 1976.3. Авторское свидетельство СССР1 546072, кл. Н 02 Р 13/18, 1973.1001135 Ь.Ь Соста ви тел ь Е. ДорошТехред М, Костик Редактор Н,Ковалевае ректор О. Билак сное филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная 6 щ ф аказ 1 И 2/73 Тираж 685 ВНИИПИ Государственно по делам изобретен 113035, Москва, Ж, Подпо комитета СССРй и открытийаушская наб д