Способ управления однофазным мостовым инвертором напряжения с широтно-импульсным регулированием

(21)4315869/24-07 (22) 29.07.87 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Новосибирский электротехнический институт(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОДНОФАЗНЫММОСТОВЫМ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ СШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ(57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может бытьиспользовано для управления однофазными мостовыми инверторами напряжения с широтно-импульсным регулиро,ванием, Целью изобретения являетсяповышение надежности за счет равноИзобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления однофазными мостовыми инверторами напряженияс широтно- импульсным регулироранйем.Целью изобретения является повышение надежности путем равномернойзагрузки вентилей силовых ключей инвертора по току,На фиг1 приведен возможный вариант структурной схемы устройствареализующего способ управления; нафиг. 2 - диаграммы, поясняющие егоработу 1 на фиг. 3-8 - принципиальные схемы задающего генератора, фаЯО 15 О 476 б А 1 2мерной загрузки вентилей силовыхключей инвертора по току. Цель изобретения достигается эа счет регулирования выходного напряжения инвертора путем изменения длительности нулевых пауз, При этом используетсячередование контуров, по которым замыкается ток нагрузки в нулевых пау"зах. На первом интервале нулевойпаузы ток нагрузки замыкается черезодни управляемый и неуправляемый вентили различных силовых ключей инвертора, подключенных к одной шине источника питания, на втором - черездругие управляемый и неуправляемыйвентили тех же ключей, на третьем -через одни управляемый и неуправляемый вентили различных ключей, подключенных к другой шине источника пи- ф фтания, а на четвертом - через другие С ,управляемый и неуправляемый вентилитех же ключей, 8 ил,зосдвигающего устройства, делителя частоты, распределителя импульсов, выходных каскадов и автономного ин вертора напряжения соответственно. ффУстройство (фиг, 1) содержит за-дающий генератор (ЗГ), фазосдвигающее устройство 1,ФСУ, делительчастоты (ДЧ) , распределитель импульсов (РИ), выходные каскады (ВК) и ав- Зфф тономный инвертор напряжения (АИН)..Задающий генсратор (фиг.1,3) может быть выполнен по стандартнойсхеме преобразователя напряжение - частота. Задающий генератор состоит из последовательно включенных моду 1504766лятора (М), интегратора (Инт.), порогового элемента (ПЭ) и дополнительно снабжен инвертором (Инв.) выходного напряжения интегратора. Иодулятор И выполнен на операционном усилителе ПА 1.1, резисторах К 1.1- К 1.4, полевом транзисторе 7 1.1 и диоде Ч 1.2; интегратор - на операционном усилителе ПА 1,2 с конден сэ сатором С 1 в цепи отрицательнои обратной связи и резисторах К 1.5 и К 1.6; пороговый элемент - на операционном усилителе ПА 1.3 с симметричными уровнями напряжения насыщения и резисторах К 1.7- К 1.9, инвертор - на операционном усилителе ПА 1.4 и резисторах К 1.10 - К 3.12.В зависимости от полярности выходного напряжения порогового элемента 20 на вход инвертора поступает напряжение Били -0 . Напряжение на выходе интегратора уменьшается или возрастает линейно во времени. Когда оно достигает значения 25К 1.8+ вБнас,напряжение на выходеК 1.8+1,9порогового элемента изменяет полярность на противоположную, и цикл пре-. образования повторяется в другом 30 направлении, Частота выходных импульсов определяется выражением(к 1.В + Р 1,9) Бю4 К 1.8 К 1.5 С Пнмо35 где Б - величина входного напряжения задающего генератора0 - напряжение насыщения поютрогового элемента, . 40Задающим генератором формируются симметричные прямоугольные импульсы1 (фиг 2 а), треугольное напряжение Бя, прямой ход которого соответствует интервалам времени, когда импульсы 111 имеют положитольную полярность, и противофазное треугольное напряжение О, (фиг.2 б).Фазозадающее устройство (фиг. 1, 4) содержит дв а пороговых элемента, выполненных на операционных усилите 50 лях (или компараторах) ПА 2. 1, 0 А 2. 2 и резисторах К 2.1, , К 2.6, и комбинационную логическую схему,собранную на элементах 2 И-НЕ 00 2.3 00 2, 2 и элементе 2 ИИ-ИЛИ-НЕ 00 2. 355 (фиг . 4) . На инвертирующие входы.пороговых элементов через резисторы К 2,1 и К 2.4 поступают прямое игде Б 2 - симметричные прямоуголь -ные импульсы, фаза которыхможет изменяться относительно импульсов 0 1 в зависимости от величины управляющего напряжения 11(фиг.2 д)При изменении управляющего напряжения от Би мцкс до +БмаксгдеБп м, - амплитуда треугольного напряжения фаза импульсов 02 относительно импульсов Б 1 изменяется от-180 до 0 эл.град.Делитель частоты (фиг.15) можетбыть выполнен с использованием 0 триггера (фиг. 5) 00 3.1, если, егоинверсный выход соединить с П-входом.На синхронизирующий С-вход 0-триггерапоступают импульсы с выхода задающего генератора 01 (фиг.2 а, а с егопрямого выхода снимаются симметричные прямоугольные импульсы БЗ фиг.(фиг.2 е) половинной частоты,Распределитель импульсов (фиг.1)может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 6. Распределительимпульсов состоит из логических элементов 2 И-НЕ 00 4.100 4.6, 00 4.9,00 4.10 и ЗИ-НЕ 00 4,7, 00 4.8 ипрецставляет собой комбинационнуюсхему, реализующие логические функции: 61.УЗ + У 1,Г 2 + ТЛ 2,113Б 1 БЗ + 01 02+11203 К 1 К 2 КЗ = К 2; К 4 = К 1,где К х = 1,4 - логические сигналы на выходах распределителяимпульсов, определяюпротивофазное треугольные напряжения Б и 0с выходов задающего генератора, а на неинвертирующие входычерез резисторы К 2.2 и К 2.3 - управляющее напряжение У (фиг.2 б), На интервалах времени, когда управляющее напряжение Бпревышает треугольные4напряжения У , У, на выходах пороговых элементов формируются сигналы логической единицы 0 11, 0 12(фиг.2 в,г), поступающие на входы комбинационной схемы, реализующей следующее логическое выражение:02 = Б 1 011+ У 1 012 )1504766 5 10 15 20 25 ЗО 35 40 Способ осуществляется следующимобразом.Импульсы П 1 (фиг.2 а) с выхода за Дающего генератОРЯ (фиг,1) поступлают на вход фазосдвигающего устройства (фиг.1) и преобразуются в импульсы Б 2 (фиг.2 д), имеющие фазовый сдвиг относительно импульсов Иопределяемый величиной напряженияуправления П (фиг.2 б). ИмпульсыП 1 и П 2 совместно с импульсами ПЗ(фиг.2 е), снимаемыми,с выхода делителя частоты (фиг. 1) и следующимис половинной частотой импульсов П 1,поступают на вход распределителя импульсов (фиг.1), который формируетчетыре последовательности импульсовК 1, К 4 (фиг.2 ж,э,и,к), . соотщие зоны работы силовыхключей инвертора напряжения (фиг. 2 ж,з,и,к)Выходные каскады (фиг, 1,7) представляют собой два двухтактных усили- теля мощности с трансформаторным выходом.Каждый усилитель мощности содержит 1два ключевых элемента Т 5.1, Т 5.2, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами распределителя импульсов, входы - с выводами первичной обмотки трансформатора Тр, средняя точка которой через токоограничивающий резисторИ 5 подключена к положительной шине источника питания + Е, а выходы объединены и подключены к нулевой шине источника питания. Одни разноименные выводы вторичных обмоток трансформатора Тр через последо 5вательно включенные диоды Ч 5.1, Ч 5.4 соединены с управляющими входами силовых ключей, образующих одно плечо инвертора, а другие - с выходами. тех же силовых ключей Диоды Ч 5.2, Ч 5,3, предназначены для шунтирования управляющих переходов соответствующих силовых ключей в обратном направлении. Нетрудно заметить, что ключи Т 5.1 и Т 5.2 управляются противофазными сигналами и одновременная их работа запрещена. При включенном ключе Т 5.1 (ключ Т 5,2 разомкнут) на первичной обмотке трансформатора Тр наводит 5 ся напряжение, полярность которого является отпирающей для диода Ч 5.1 и запирающей для диода Ч 5.4.При этом на управляющем переходе первого силового ключа формируется положительный импульс напряжения, достаточный для его отпирания; на управляющем переходе четвертого силового ключа импульс напряжения отсутствует.Привключенном ключе Т 5.2 (ключ Т 5.1 разомкнут) полярность напряжения на вторичных обмотках соответствует включенному состоянию днода Ч 5.4 и запертому - диода Ч 5.1. В данном случае положительный импульс напряжения формируется на управляющем переходе четвертного силового ключа, а на управляющем переходе первого отсутствует. Достоинством приведенной схемы выходных каскадов является применение одного трансформатора сдля управления двумя силовыми ключа 1 ми инвертора напряжения. Автономный инвертор напряжения(фиг,1,8) может быть выполнен начетьуех силовых ключах СК 6.1,1.4, собранных по однофазной мостовой схеме, в одну диагональ которой включен источник питания Е, а вдругую - активно-индуктивная нагрузкЯ К р 1 юКЯждыи силовои ключ содержит управляемый вентиль (транзистор, двухоперационный тиристорили тиристор с узлом искусственнойкоммутации) и встречно-параллельновключенный ему неуправляемый вентиль(диод). На схеме, приведенной нафиг. 8, управляемыми вентилями являются транзисторы Т 6, а неуправляемыми - диоды Р 6,х,При работе инвертора на активно-.индуктивную нагрузку формирование ирегулирование выходного напряженияосуществляются изменением длительности нулевых пауз, возникающих врезультате проводимости тока нагрузки одним транзистором и одним диодом,принадлежащими разным силовым ключам, подключенным к одной шине источника питания. Короткоэамкнутые контуры для тока загрузки могут быть созданы транзисторами и диодами Т 6.1.и0 6.3; Т 6.3 и П 6.1; Т 6.2 и 0 6.4;Т 6.4 и 0 6.2 соответственно. Длительность нулевой паузы в выходномнапряжении инвертора определяется(1-Г)рвыжением , где Е - выходнаячастота инвертора, и может изменяться от .О до 1/2 й при изменении управляющего напряжения От +ипмакс доПп максветствующие зонам работы силовых ключей инвертора напряжения, которые после усиления по мощности и гальванической развязки в выходных каскадах5(фиг,1) поступают на база - эмиттерные переходы соответствующих транзисторов автономного инвертора напряжения (фиг, 1)На интервале времени, когда сигна- О,лы П 1, П 2 и ПЗ одновременно равны ло гической единице, а ток нагрузки инвертора имеет отрицательное направ,ление, распределитель импульсов выра батывает логические сигналы К 1 и К 2, 5, равные единице, и КЗ, К 4 равные нулю.При этом силовые транзисторы Т 6.1 иТ 6.2 закрыты, хотя на их база - эмит, терных переходах имеется отпирающее: напряжение, а ток нагрузки проводят 20диоды Р 6;1 и 0 6.2 (фиг,2 о,п).При изменении направления тока на грузки диоды 0 6.1 и 0 6.2 выключают ся и включаются транзисторы Т 6.1 и 25Т 6.2 (фиг.2 м,н), Таким образом нанагрузке формируется положительнаяполуволна напряжения.На интервале времени, когда сигналы У и ПЗ равны логической еди- ЗОнице, сигналы П 2 - логическому нулю,распределитель импульсов формируетимпульсы К 1 и КЗ, равные логическойединице, и К 2, К 4, равные логическомунулю. При этом в напряжении на нагрузке возникает нулевая пауза, обеспечиваемая одновременной работой транзистора Т 6.1 и диода 06,3(фиг.2 м,т).На интервале времени, когда Б и02 равны логическому нулю, а сигналы БЗ - логической единице, распределитель импульсов вырабатывает логические сигналы КЗ и К 4, равные единице, и К 1 и К 2, равные нулю. Покаток нагрузки имеет положительное направление, его проводят диоды 06,3и Р 6.4 (фиг.2 т,у). При изменении направления тока нагрузки ток начинаютпроводить транзисторы Т 6.3, Т 6.4(фиг,2 р,с). При этом на нагрузке формируется отрицательная полуволна напряжения,На интервале времени, когда сигналы Б 1 равны логическому нулю, а сигналы 112 и 0 - логической единице, 55распределитель импульсов вырабатывает сигналы К 1 и КЗ, равные логической единице, и К 2 и К 4, равные нулю,В напряжении на нагрузке формируется нулевая пауза, обеспечиваемая замыканием тока через транзистор Т 6,3 идиод 06.1 (фиг.2 о,р)На интервФпе времени; когда сигналы Б 1 и Б 2 равны логической единице, а сигналы БЗ - логическомунулю, процессы в инверторе аналогичны описанным выше при равных логической единице П 1, Б 2 и ПЭНа интервале времени, когда сигналы П 1 равны логической единице,а сигналы У 2 и ПЗ - логическомунулю, распределитель импульсов формирует сигналы К 2 и К 4, равные логической единице, и сигналы К 1 иКЗ равные логическому нулю. Приэтом нулевая пауза и напряжении нанагрузке образуется замыканием токачерез транзистор Т 6,2 и диод 06,4(фиг.2 н,у),На интервале времени, когда сигналы Б 1, Г 2 и ПЗ равны логическому нулю, процессы в инверторе аналогичны описанным выше при У 1 П 2,равных логическому нулю, а ПЗлогической единице.Д. На интервале времени, когда сигФналы ц 1 и цЗ равны логическомунулю, а сигналы Г 2 - логической единице, распределитель импульсов вырабатывает сигналы К 2 и К 4, равныелогической единице, и К 1 и КЗ, равные логическому нулю. При данном направлении тока нагрузки нулевая пауза в выходном напряжении инвертора обеспечивается транзистором Т 6.4и диодом 06.2 (фиг,2 п,с)Далее описанный алгоритм работысиловой схемы инвертора напряженияповторяется,Из разверток, приведенных нафиг, 2, видно, что средние значенияколлекторных токов силовых транзисторов одинаковы, если усреднение проводить за два периода выходного напряжения инвертора. То же можно сказатьи о токовой загрузке силовых диодов,Это достигается за счет того, что вформировании нулевых пауз в выходномнапряжении инвертора принимают участие все транзисторы и все диоды силовой схемы при описанной последовательности их работы.Данный способ позволяет снизитьвеличину токовой нагрузки наиболеезагруженных вентилей на величину токаодной нулевой паузы за два периодавыходного напряжения инвертора.Таким образом, способ позволяет снизить статические потери мощности, выделяемые в наиболее загруженных по, току вентилях и обусловленные их сопротивлением в открытом состоянии и прямым падением напряжения, что снижает вероятность их отказа и повышает надежность работы инвертора. ф о р м у л а изобретенияСпособ управления однофазным мостовым инвертором напряжения с широтно-импульсным регулированием, заключающийся в том, что формируют нуле вые паузы в выходном напряжении инвертора путем замыкания тока нагрузки через вентили силовых ключей инвертора, подключенных к одной шине источника питания и обеспечивающих 20 требуемое направление протекания тока нагрузки, и путем изменения длительности укаэанных нулевых пауз осу" Э ществляют регулирование выходного на:пряжения инвертора, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности путем равномерной загрузки вентилей силовых ключей инвертора по току, осуществляют замыкание тока нагрузки на первом интервале нулевой паузы выходного напря"жения инвертора через одни управляемый и неуправляемый вентили различных силовых ключей инвертора, подключенных к одной шине источника питания, на втором интервале - черездругие управляемый и неуправляемыйвентили тех же ключей, на третьеминтервале - через одни управляемыйи неуправляемый вентили различныхключей, подключенных к другой шинеисточника питания, а на четвертоминтервале - через другие управляемыйи неуправляемый вентили тех же ключей,1 5047 бб писно при ГКНТ СССР водственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 Составитель А, Ме Редактор А. Маковская Техред М,ХоданичЗаказ 5263/54 Тираж б 47ВНИИПИ Государственного комитета по изо113035, Москва, Ж, Р улова Корректор Т, Пали тениям и открыти ская наб д. 4/