Преобразователь -фазного напряжения с промежуточным вч преобразователем

)4 НО ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИ ЛЬСТВУ 21) 3880816/2422) 08.04.8546) 07.05.88. Б71) Научно-исслут автоматики и 17 довательскии инстилектромеханик омском титуте автоматизированных ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ систем управления и радиоэлектроники (72) Г.Я.Михальченко(56) Проблемы преобразовательной тех ники. Сб. - Киев.: ИЭД АН УССР, 1979, ч.5, с, 66-69.Мыцык Г.С.Исследование и разработ ка способов преобразования параметров электроэнергии с помощью стати" ческих преобразователей. Автореф.канд. дис - М,: МЭИ, 1972, с, 9, 1 О, с. 17.Авторское свидетельство СССР Мф 843134, кл. Н 02 М 5/27, 1979.(57) Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б. исполь" зовано в регулируемых электроприводах, усилителях низкой частоты, устрвах ввода и вывода энергии в накопители. Целью является расширение функциональных возможностей за счет придания устройству свойств воспроизведения сигналов заданной формы. Устрво содержит ш инверторных ячеек 3-5 на полностью управляемых ключах 6-17 с двусторонней проводимостью, в диагонали высокой частоты которых включены первичные обмотки высокочастотных тр-ров 18-20, Вторичные обмотки тр-ров соединены последовательно и подключены к входу демодулятора 2 на полностью управляемых ключах 22- 25 с двусторонней проводимостью. Схема 27 управления обеспечивает регулирование напряжения и его реверсирование ключами инверторных ячеек. 6 ил. ЕФиаИзобретение относится к преобразовательной технике, в частности к технике преобразования переменного напряжения в постоянное, и может най- . ти применение в быстродействующих ре" гуляторах напряжения в качестве электронного аналога электромашинного усилителя, в реверсивных электроприводах, в усилителях сигналов низкой частоты, в модуляторах напряжения, устройствах ввода и вывода энергии в реактивные накопители, в тех случаях, когда требуется высокое быстродействие регулирования, минимальные масса и габариты, равномерная загрузка током всех ш Фаз.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет придания устройству свойств воспроизве дения сигналов зарядной формы.На фиг.1 представлена основная структурная схема устройства (при регулировании выходного напряжения ин" верторами)ф на фиг.2 - возможная мо дификация структурной схемы устройства (при регулировании выходного напряжения демодулятором)", на фиг.З временные диаграммы, поясняющие работу устройства при угле регулирова ния напряжения, равном нулю, на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства при изменении полярности выходного напряжения в процессе регулирования; на фиг.5 и 6 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства на фиг.2.Устройство (фиг.1) содержит входной 1 и выходной 2 Фильтры, ш (для определенности. принято ш = 3) инверторных ячеек 3-5 на полностью управ" ляемых ключах 6-17 с двусторонней проводимостью, по одной ячейке в каждой фазе, в диагонали высокой частоты которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов 18-20, а другими диагоналями инвертные ячейки через входной фильтр 1 соединены с питающей сетью по схеме "звезда". Вторичные обмотки высокочастотных трансформаторов 18-20 сое 50 динены последовательно и подключены к диагонали высокой частоты демодулятора 21 на полностью управляемых ключах 22-25 с двусторонней проводимостью, выходные выводы демодулятора 21 через выходной фильтр 2 соединены с нагрузкой 26, Схема 27 управления содержит 2 ш+1 узлов 28 развязки, два двухвходовых логических элементаИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31, распределитель32 импульсов синхронизированный с сетью, задающий генератор 33, выход которого соединен с тактовыми входами двух фазосдвигающих узлов 34 и 35 с регулируемыми углами задержки 34 и опережения 35. Управляющие входы фазосдвигающих узлов 34 и 35,объединены и образуют управляющий вход преобразователя. Выход задающего генератора 33 подключен также к входу одного из узлов 28 развязки, противотактные выходы которого подключены куправляемым входам ключей 22-25 модулятора 21, противотактные выходы остальных 2 ш узлов 28 развязки связаныс управляющими входами ключей 6-17инверторных ячеек 3-5, а их входысоединены с выходами 2 ш логическихэлементов ИСКЛ 10 ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31, причем первые входы первой группы н логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31 объединены и подключены к выходу фазосдвигающего узла 34 с регулируемым углом задержки о, а первые входы второй группы ш логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31 также объединены и подключены к выходу фазосдвигающего узла 35 с регулируемым углом опережения р , вторые входы логических элементов 29,29 ф 30,30и 31,31 первой ш и второй ш групп попарно объединены и соединены с соответствующей фазой преобразователя через распределитель 32 импульсов.Фазосдвигающие узлы 34 и 35 с регулируемыми углами задержки Ы и опережения р выполнены по двухканальной схеме, каждый канал включает последовательно соединенные генератор 36(37) развертывающего напряжения, компаратор 38(39) и двухвходовый логический элемент ИСКЛОЧАЮЩЕЕ ИЛИ 40 (41), выход которого образует выход фазосдвигающего узла 34(35), а однииз входов логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 40 и 41 обоих каналов объединены между собой и с входами генераторов 36 и 37 развертывающих напряжений и образуют тактовый входфазосдвигающих узлов 34 и 35. Модификация преобразователя ш-фазного переменного напряжения на фиг.2отличается лишь несколько иным построением блока управления.Блок 27 управления содержит ш+2 узлов 28 развязки, н двухвходовых45 55 3 13943 логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31. Выходы фазосдвигающих узлов 34 и 35 соединены с входами двух узлов развязки, противотактные вьгходы которых подключены к управляющим вхо 5 дам ключей 22-25 демодулятора 21, противотактные выходы остальных а узлов 28 развязки связаны с управляющими входами ключей 6-17 инверторных ячеек 3-5, а их входы соединены с выходами ш логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31, первые входы которых объединены и подключены к выходу задающего генератора 33, а вторые входы, по-прежнему, соединены с соответствующими Фазами преобразователя через распределитель 32 импульсов. На фиг,3-6 обозначено:20 42-44 - трехфазная система входногопеременного напряжения;45 - дополнительный сигнал повышенной частоты;46 - основной сигнал типа "меандр", 25синфазный с напряжением 42;47 - сигнал, полученный модуляциейсигналов 45 и 46;48-50 - модулированные напряжения питающей сети; 30 51 - суммарное напряжение;52 - демодулированное напряжение- выходное напряжение задающегогенератора 33 и узла 28 развязки, связанного с управляющими35цепями ключей 22-25 демодулятора 21;54 и 55 - выходные напряжения генераторов 36 и 37 развертывающихнапряжений соответственно (ли" 4 Онейно-падающее напряжение 55 длянаглядности представлено пунктирной линией);56 - управляющее напряжение (Б наМфиг.1) преобразователя;57 и 58 - выходные напряжения Фазосдвигающих узлов 34 и 35 59 - 61 - синхронизирующие напряжения, фазы которых совпадают ссоответствующими фазами входногонапряжения 42-44;62-67 - выходные напряжения узлов 28раэвяЪки, связанных с управляющими цепями ключей 6-17 инверторных ячеек 3-5,68-70 - напряжения, действующие наобмотках трансформаторов 18-20;71 - входное напряжение демодулятора 21,704 72 - выходное напряжение демодулято-.ра 21, 73 - ток в нагрузке 26; 74-76 - токи, потребляемые преобразователем из входного фильтра 1; 77 - напряжение на выходе задающегогенератора 33; 78 - входное напряжение одной из Фаэпреобразователя; 79 - синхронизирующее напряжение (навыходе узла 32) этой же фазьц 80 и 81 - выходные напряжения узла 28 развязки, связанного с управляющими цепями ключей 6, 9 и 7, 8 инвертора 3; 82 - напряжение, действующее на обмотках трансформатора 18, 83 - входное напряжение демодулятора 21; 84 - напряжение управления преобразователем й на фиг.2) 85 и 86 - выходные напряжения узлов 28 развязки, соединенньх с фаэосдвигающими блоками 34 и 35; 87 - выходное напряжение демодулятора 21; 88 - выходное напряжение фильтра 2.Согласно изобретению способ преобразования исходной системы напряжений (1) (для ш = 3 на фиг.З) 42-44 11 1 = 11 зтп о Б= 11 реп(е + 1/ЗТ) Ц = 0 зз.п(с( + 2/ЗТ) (1) заключается в формировании основной системы ш-фазных сигналов (2) с частотой следования, равной частоте сети (на фиг.З показан один сигнал 46, совпадающий по Фазе с напряжением 42) йА(С)( + 1/ЗТ) (2)Ед(е + 2 ЗТ) де 11 - функция прямоугольного синуса с периодом А = Т, Систему сигналов (2) модулируютигналом 45 более высокой частоты ЕА(1) с периодом й, при этом получают и-Фаэный сигнал (3)1 И)К,(С) КИ + 1/ЗТ) (3)Г (С)Г А(й. + 2/ЗТ) которым модулируют соответствующее по Фазе входное напряжение (1) и получают напряжение повышенной частоты 48-50, которые, аналитически можно представить произведением (3) на (1), т,е.+ 2/ЗТ).Эту операцию осуществляют инверторы3-5 (фиг.1 и 2)Индексы при напряжениях 0, Цз,в (3) совпадают с обозначениями 10этих напряжений на фиг.З. Затем напряжения (4) трансформируют высокочастотными трансформаторами 18-20(фиг.1), первичные обмотки которыхподключены к выходам инверторов 3-5,и формируют напряжение 51 повышеннойчастоты (фиг,З) постоянной амплитудыпутем суммирования напряжений (4) повышенной частоты всех ш Фаз. В устройстве по фиг.1 и 2 эта операция 20осуществляется последовательным соединением вторичных обмоток трансформаторов. Следовательно,115 = с - 15; = Й аЙд(г.) Пудз 1 п О ++ 2/ЗТ)3 . (5)По выражению (5) видно, что слагаемые 30в квадратных скобках представляют собой взятые по модулю синусоидальныефункции, т.е.Г д(Г) з 1 п Ы = 1 з 1 п О(1,поэтому суммарное напряжение Ц , 35(Фиг.З), в отличие от известных суммнапряжений вида (1), равных либо нулю(закрытый треугольник), либо синусоидальной Функции (открытый треугольник), представляет собой высокочастотное напряжение постоянной амплитуды.Далее полученное напряжение (5)демодулируют демодулятором 21 (фиг.1),к входу которого подключены последовательно соединенные обмотки трансформаторов 18-20. Процесс демодуляции напряжения можно представить какпроизведение выражения (5) на Г(1).Учитывая, что Га(С) = 1, получим500 = Б ОДГ цз 1 п Ю + Г д(й + 1/ЗТ) хх з 1 п(О(+ 1/ЗТ) + Гд(С + 2/ЗТ) хх з 1 п(О( + 2/ЗТ)3 (б)Выражение (6) описывает напряжение 52,при отсутствии регулирования, На примерах реализации способа рассмотримпроцессы преобразования и регулирования. Принцип работы преобразователя попервому варианту заключается в следующем.Входное ш-фазное напряжение 42-44(Фиг.4) через фильтр 1 поступает навходные выводы инверторных ячеек 3-5(фиг.1), алгоритм замыкания ключейкоторых определяется величиной управляющего напряжения 56. Задающий генератор 33 формирует напряжение 53, моменты смены полярности которого являются тактирующими для генераторов 36и 37 развертывающих напряжений, причем выходное напряжение 54 генератора 36 представляет собой линейно-нарастающее, а напряжение 55 - линейнопадающее. При величине управляющегонапряжения 56 большей амплитуды развертывающих напряжений 54 и 55 уровень выходного напряжения компараторов 38 и 39 соответствует уровню логического нуля и на выходе логическихэлементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 40 и 41действуют напряжения 57 и 58, совпадающие по фазе с напряжением 53 задающего генератора,Углы регулирования О/ и р в таком режиме максимальны и равны полупериоду напряжения повышенной частоты(Ы = рр = а,), Напряжение 57 поступает на первые входы групп т логических элементов 29-31, а на первые входы второй группы ш логических элементов 29-31 поступает напряжение 58.На вторых объединенных входах логических элементов 29 действует выходноенапряжение 59 синхронизирующего узла32, полученное из выходного напряжения 42 пороговым элементом, напримеркомпаратором. На вторых объединенныхвходах логических элементов 30 и 31действуют напряжения 60 и 61 соответствующей Фазы, На выходах элементов29 действуют однополярные напряжения,которые узлами 28 развязки преобразуются в разнополярные напряжения 62и 63, моменты смены полярности которых при переходе напряжения 42 черезнулевое значение не изменяются. Аналогично, на выходах других узлов 28развязки, соединенных с логическими элементами 30 и 31, формируютсянапряжения 64-67 соответственно, Положительные полуволны напряжений 6267 соответствуют замкнутому состоянию ключей 6, 9, 10, 13, 14 и 17 соответственно, а отрицательные - ключей 7, 8, 11, 12, 15 и 16 инверторных ячеек 3-5. Таким образом, до момента времени 1 алгоритм замыкания ключей инверторных ячеек не изменяется (в частности для инверторной ячейки 3 одновременно замкнуты ключи 6 и 9, затем 7 и 8 и т.д. в соответствии с диаграммами 62, 63) и напряжение 42 преобразуется в высокочастотное напряжение 68, напряжение 43 вв напряжения 69 и 44 - в напряжение 70. Поскольку вторичные обмотки трансформаторов 18-20 соединены последовательно, то на входе демодулятора 21 действует высокочастотное напряже 5 ние 71 (фиг.5), равное сумме напряжений 68-70. Огибающая амплитуды этого напряжения имеет пятипроцентную пульсацию с частотой 300 Гц. Ключи демодулятора 21 замыкаются в соответствии с напряжением 53 так, что положительная полуволна этого напряжения соответствует замкнутому состоянию ключей 22 и 25, а отрицательная - ключей 23 и 24, преобразуя тем самым 25 напряжение 71 в выпрямленное напряжение 72, под действием которого в нагрузке 26 протекает ток 73, для случая активно-индуктивной нагрузки. Выпрямленное напряжение в интервале времени 0описывается выра.жением 6.Принимая й/2 за начало отсчета для напряжения 68 (фиг.4), с учетом (6), на интервале повторяемости напряжения 72 среднее значение выходно го напряжения демодулятора можно представить в следующем видео/сц, = -,) 1,созо + соз (о + 60 ) +3о4 О + сов(Ы - 60) с Ы = -Б совЫЙо =6 6 Г 2Я1; Ф ф эф (7) По отношению к трехфазной мостовой45 схеме выпрямления здесь выходное напряжение на 0,36 1,Ф больше.Постоянный ток 73 нагрузки (обозначим его через 1,1) преобразуется демодулятором в высокочастотный ток, протекающий по обмоткам трансформаторов, т.е.Т,.р = 1, Г (т). (8) Ключами ннверторов этот ток преобразуется в прямоугольный потребляемый ток 74-76, так как 55пот р 1 тр Вт аГл (г.) потому, что Г= 1, а К - коэффициент трансформации трансформаторов 18-20.С момента времени С, управляющее напряжение 56 начинает уменьшаться, и как только П становится соизмеримо с напряжениями 54 и 55, начинают изменяться фазы выходных напряжений 57 и 58 фазосдвигающих узлов 34 и 35, как показано на фиг4. Углы регулирования о(р и а становятся меньше полупериода напряжения повьппенной частоты,и непрерывно изменяются до момента времени 1 , когда Б становится по величине меньше нуля. При Ыр = Вр = 0 и Фазы напряжений 57 и 58 совпадают между собойно находятся в противофазе с фазой напряжения 53 задающего генератора 33. Диаграмма состояний логических элементов ИСКЛЮЧАОШЕЕ ИЛИ 29-31 известнаВход 1 Вход 2 Выход0 0 00 1 11 0 11 1 0В соответствии с этой диаграммой в интервале времени Е 1- формируются напряжения 62-67 узлов 28 развязки, связанных с управляющими цепями ключей инверторных ячеек 3-5. Алгоритм замыкания ключей, например инверторной ячейки 3, в этом интервале непрерывно изменяется (при каждой смене полярности любого из напряжений 62 и 63) так, что одновременно замкнуты следующие ключи: 8,7-7,9- 9,6-6,8-8,7-7,9-7,8-8,6-6,9-9,7-7,8, При7 с одновременно замкнуты ключи 7 и 8 или 6 и 9 и т.д. Поскольку замкнутое состояние ключей 6 и 8 или 7 и 9 закорачивает первичную обмотку трансформатора 18, то и напряжение в эти моменты становится равным нулю, а приведенный вьппе алгоритм переключения ключей 6-9 приводит к плавному регулированию напряжения 68 на рассматриваемом интервале, и реверсированию фазы этого напряжения (с момента, когда П становится меньше половины амплитуды напряжений 54 и 55), В остальных фазах регулирование напряжений 69 и 70 осуществляется синхронно в соответствии с управляющими напряжениями 64-67. Напряжение 71, равное сумме напряжений 68-70, регулируется эа счет синхронного изменения длительности импульсов повы 1394370шенной частоты во всех фазах и реверсируется. Алгоритм работы ключейдемодулятора 21 не изменяется: одновременно замыкаются ключи 22 и 25,затем 23 и 24 и т.д поэтому на выходе демодулятора действует выпрямленное напряжение 72, которое ав-томатически реверсируется по сигналу управления Б. В активно-индуктив ной нагрузке 26 протекает сглаженныйток 73, который согласно выражению(9) потребляется из сети в виде разнополярных прямоугольных импульсов74-76 с периодом Т. В моменты време 15ни, когда напряжение на нагрузке иток не совпадают по знаку, преобразователь переходит в инверторный режим, при котором токи 74-,76 в фазахпротекают навстречу питающему напряжению. На Фиг,5 такому режиму соответствует один импульс длительностьюдй. Из приведенных диаграмм видно,что преобразователь имеет внешниехарактеристики 0 я = Г 1 н), расположенные в четырех квадратах,Принцип работы преобразователя повторому варианту заключается в следующем.Напряжение 77 (фиг.б) с выхода задающего генератора 33 (фиг.2) поступает на один из входов логическихэлементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31, надругие входы которых поступают син"хрониэирующие напряжения 59-61(фиг.4). На Фиг,5 для упрощения рассматриваются процессы в одной инверторной ячейке 3. Для рассматриваемойфазы на втором входе логического элемента 29 действует выходное напряже 40ние 79 распределителя 32 импульсов,синфазное с входным напряжением 78,а на ;его выходе напряжение 80, которое является управляющим для узла28 развязки. На выходах узла 28 развязки действует разнополярное напря 45жение 81, положительные полуволныкоторого соответствуют замкнутомусостоянию ключей б и 9, а отрицательные - 7 и 8. На управляющих входахключей других инверторных ячеек 4 и 505 действуют аналогичные разнополярныеимпульсы со своими Фазовыми переходами в моменты смены полярности входных напряжений своих Фаз, В соответствии с напряжением 8 1 инвертор 3 55преобразует напряжение 78 в напряжение 83 повышенной частоты. Суммирование таких напряжений разных фаз осуществляется последовательным соединением вторичных обмоток трансформаторов 18-20, подключенных к входу демодулятора 21, который осуществляет выпрямление напряжения 83, регулирование и реверсирование выходного напряжения преобразователя в соответствии с величиной напряжения 84 управления. На фиг,б для упрощения опущены эпюры развертывающих напряжений, с которыми сравнивается напряжение 84 по аналогии с фиг,4В интервале вре" мени-Фазы напряжений 85 и 86 изменяются от максимальной величины (аг = р = О) до минимальной ( Ы, =рр = О), причем положительные полуводны напряжений 85 и 86 соответствуют включенному состоянию ключей 22 и 25, а отрицательные - ключей 23 и 24 демодулятора 21, В упомянутом интервале алгоритм замыкания ключей демодулятора будет изменяться от 22, 25- 23, 24 на периоде повышенной частоты до 23, 24 - 22, 25 следующим образом: 23, 24 - 23, 25 - 25, 22 - 22, 24 24, 23 - 23, 25 - 23, 24 - 24, 22 22, 25 - 25, 23 - 23, 24. Выходное напряжение 87 модулятора 21 будет из. - меняться по, такому же закону, как и на фиг,5. Среднее значение этого напряжения 87 на выходе фильтра 2 представлено на фиг.б диаграммой 88,Как следует из предлагаемого способа преобразования и работы устройств он позволяет расширить функциональные возможности, так как удается решить задачу воспроизведения на выходе входного управляющего сигнала. Формула изобретенияПреобразователь ш-Фазного напряжения с промежуточным ВЧ-преобразователем, содержащий ш инверторных ячеек на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, по одной на фазу питающей сети, в выходной диагонали которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов, вторичные обмотки последних соединены последовательно и подключены к входу демодулятора, выходом связанного с выходными выводами, и блок управления, включающий в себя последовательно связанные между собой высокочастотный задающий генератор, ш-канальный распределитель импульсов и логический узел, выходом связанный с управляющими входами ключей ука1:394310 12 2 б заинь 1 х инверторных ячеек, причем выходы упомянутого задающего генератора связаны с управляющими входами ключей демодулятора, о т л и ч а ю -5 щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет придания преобразователю свойств воспроизведения сигналов заданной формы, он снабжен двумя фазосдвигающими узлами с отстающим и опережающим углами, тактовые входы которых подключены к упомянутому задающему генератору, а нх управляющие входы объединены, образуя управляющий вход 15 преобразователя, логический узел выполнен в виде двух групп, каждая из щ двухвходовых логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первые входы первой группы логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ объединены и подключены к выходу фазосдвигающего узла с регулируемым углом задержки, первые входы второй группы тп логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ также объединены и подключены к выходу фазосдвигающего узла с регулируемым углом опережения, а вторые входы первой щ н второй а групп попарно объединены и подключены к соответствующему выходу н-канального распредегрлителя импульсов, синхронизирован ного с питающей сетью и имеющего час" тоту выходных импульсов, равную частоте сети.1.Сердюкова Состав Техред ктор В.Бугренкова Ре ктор С.Черн аказ 2233/53 писное Проиэводственно-полиграфическое предприят ИИПИ Госудапо делам иэ5, Москва,Тираж 665твенного комитета СССретений и открытий35, Раушская наб., д,жгороц, ул. Проектная, 4