Преобразователь -фазного переменного напряжения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИК 77 1% (11) Н 02 М 5/ САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТО лпако ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР МУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(46) 30.03.91. Бюл, У 12 (71) Научно-исследовательский инст тут автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизиро ванных систем управления и радиоэлектроники(72) Г.Я .Михальченко и И.В.Ко (53) б 21,34.27 (088.8) (5 б) Авторское свидетельство СССР У 1141533, кл. Н 02 М 3/355, 1985Авторское свидетельство СССР У 843134, кл, Н 02 М 5/27, 1980.Авторское свидетельство СССР1394370, кл, Н 02 М 5/27, 1985. 2(57) Изобретение относится к силовой преобразовательной технике. елью является снижение массогабаритныхпоказателей за счет использованияпредложенного алгоритма управленияУстройство содержит три модулятора 3-5,выполненных по мостовойсхеме на ключах с двухсторонней проводимостью, выходы которых черезтрансформаторы 18-20 подключены квходу демодулятора 21. Трансформаторы работают на промежуточной высокой частоте. Блок управления реализует принцип многозонной модулявннв модуляторах 3-5 и подавление с помощью отрицательной обратной связиуказанных пульсаций. 4 ил.Изобретение. относится к преобразовательной технике, в частности к тех"нике преобразования переменного напряжения, и может быть использованов быстродействующих регуляторах напряжения в качестве электронного аналога электромашинного усилителя,реверсивных электроприводах, модуляторах напряжения, усилителях сигналов низкой частоты, в устройствахввода и вывода энергии в реактивныенакопители,Цель изобретения - снижениемассогабаритных показателей.На фиг,1 представлена структурнаясхема преобразователя; на фиг.2 -4 - временные диаграммы его работы.Преобразователь ш-фазного переменного напряжения (фиг.1) содержитвходной 1 и выходной 2 Фильтры, шинверторных ячеек 3-5 на полностьюуправляемых ключах 6-17 с двусторонней проводимостью, в выходной диа. гонали которых включены первичныеобмотки высокочастотных трансформаторов 18-20, а другими диагоналямиинверторные ячейки через входнойФильтр 1 соединены с питающей сетью.Вторичные обмотки высокочастотныхтрансформаторов последовательноподключены к входу демодулятора 21на полностью управляемых ключах 22-25с двусторонней проводимостью, выходомчерез выходной фильтр 2 связанногос выходными выводами, Блок управления образуют задающий генератор 26,логический узел 2, выходы которыхчерез 2 ш узлов 28 развязки соединены с управляющими входами ключей6-17 инверторных ячеек 3-5, а выходзадающего генератора 26 через узел28 развязки связан с управляющимивходами ключей 22-25 демодулятора21, 2 ш фазосдвигающих узлов 29-34 сотстающими (29, 31 и 33) и опережаю"щими (30, 32 и 34) углами, а такжеш-канальный распределитель 35 импульсов, синхронизированный с питающейсетью и имеющий частоту выходных импульсов, равную частоте сети. Фазосдвигающие узлы 29-34 имеют управляющие и тактирующие входы каждой парыи тактирующие входы, причем, управляющие входы каждой пары (29, 30;31,32; 33,34) фазосдвигающих узловчерез соответствующие пороговые эле.менты 36 - 38 подключены к выходусумматора ,3 , а тактирующие входы45 50 55 501520253035 40 объединены и подключены к задающемугенератору 26. Один из входов сумматора ", подключен к управляющему входу преобразователя, а второй вход соединен с выходом делителя напряжения К, Логический узел 27 выполнен в виде ш групп из двух логических элементов ИСКЛЮЧАЮП 1 ЕЕ ИЛИ 39, 40;41,42; 43,44, первые входы которых объединены и подключены к соответствующему для каждой из ш групп выходу ш-канального распределителя 35 импульсов, причем вторые входы первыхлогических элементов ИСКЛЮЧАЮЯЕЕ ИЛИ39,41 и 43 каждой из ш групп соединены с выходами соответствующих фазосдвигающих узлов 29, 31 и 33 с отстающими углами, а вторые входы вторых логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 40, 42.и 44 каждой из ш группсоединены с выходами соответствующихфазосдвигающих,узлов 30, 32 и 34 сопережающими углами.Фазосдвигающими узлы 29(30),31(32) и 33(34) с регулируемыми углами задержки и опережения содержат последовательно соединенные генератор развертывающего напряжения 45(46), компаратор 47(48) и двухвходовый логичес-.кий элемент ИСКЛЮЧАЮШЕЕ ИЛИ 49(501,выход которого образует выход фазосдвигающего узла 29(30) (аналогично для Фазосдвигающих узлов 31,32;.33, 34). Входы генераторов 45(46) развертывающего напряжения всех фазосдвигающих узлов 29-34 объединены между собой и с первыми входами логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 49(50) всех фазосдвигающих узлов 29-34 и образуют тактовый вход фазо.сдвигающих узлов 29-34. Выходы 45(46) генераторов развертывающих напряже ний соединены с первыми входами ком" параторов 47(48), вторые входы которых объединены (аналогично для фазосдвигающих узлов 31,32; 33,34) и через пороговый элемент 36 (соответственно через пороговые элементы 37 и 33) подключены к управляющему входу преобразователя. Выходы компараторов 47(48) соединены с вторыми входами логических ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 49(50).Каждый канал ш-канального распределителя 35 импульсов. выполнен в ви" де понижающего трансформатора напря- . жения, вторичная дбмотка которого подключена к одному из входов компа 1638777ратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, равным нулю (заземлен).На фиг, 2 и 3 обозначено: 5153 - трехфазная система входногопеременного напряжения преобразователя; 54 - выходное напряжение задающего генератора 26; 55 - напряжение ошибки, подаваемое на управляющие входы фаэосдвигающих узлов 29 -34 через пороговые элементы 36-38;56 и 57 - выходные напряжения генераторов 45 и 46 развертыванищих напряжений соответственно (аналогичны напряжения для генераторов развертывающих напряжений других пар Фазосдвигающих узлов 31-34); 58-60 - синхронизирующие напряжения на выходеш-канального распределителя 35 импульсов, фазы которого совпадают ссоответствующими фазами 51-53 входного напряжения; 61-66 - напряжения навыходах логического узла 27; 67-69 -напряжения, действующие на обмоткахтрансформаторов 18 - 20; 70 - выходное напряжение демодулятора 21,соответствующее управляющему сигналу 55;71-73 - напряжения на выходе демодулятора 21 при различной глубине регулирования; 74 - ток через демодулятор 21; 75 - 77 - токи, потребляемыепреобразователем из входной цепи,соответствующие сигналу 55 управления,На фиг,4 обозначено: 78 - напряжение ошибки, подаваемое на управляющие входы Фазосдвигающих узлов 29 -1 34 через пороговые элементы 36-38(приближенное к реальной форме); 79 -развертывающее напряжение, соответствующее инвертору, работающему внижнем диапазоне регулирования; 80 - :выходное напряжение задающего генератора 26; 81 - выходное напряжениедемодулятора 21, соответствующееуправляющему напряжению 78 ошибки.Преобразователь работает следующим образом,Входное ш-Фазисе напряжение 51-53(Фнг.2) поступает на входные выводыинверторных ячеек 3-5 (фиг.1), алгоритм замыкания ключей 6-17 которыхопределяется управляющим напряжением55 преобразователя.Задающий генератор 26 формируетнапряжение 54, моменты смены поляр-,ности которого являются тактирующимидля генераторов 45 и 46 развертывающих напряжений, причем. выходное нап 5 ются в разноолярные напряжения.Ана-,: логично на выходах других логичес 50 55 5 О 15 20 25 30 35 40 ряжение 56 генератора 46 представляет собой линейно падающее, а напряжение 57 генератора 45 - линейно нарастающее. Работа фазосдвигающих узлов 29-34 с регулируемыми углами задержки М и опережения Р анало" Ггична, поэтому рассмотрим работу фазосдвигающих узлов 29 и 30. Предположим, что напряжение ошибки имеет форму 55 (Фиг.2), тогда на участке времени большей амплитуды развертывающих напряжений 56 и 57 уровень выходного напряжения компаратора 47 и 48 соответствует уровню логического нуля и на выходе логических элементов ИСКЛПЧАЮЩЕЕ ИЛИ 49 и 50 действует напряжение, совпадающее по фазе с напряжением 54 задающего 26 генератора, которое подается на вторые входы логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 39 и 40, диаграмма состояний которых известна;Вход 1 Вход 2 Выход0 0 0 0 1 11 0 111 0 Углы регулирования М и 5 в таком режиме максимальны и равйы полупериоду напряжения повышенной частоты (С(р = В = а). На первых вхо 1-Рдах логических элементов ИСКЛ 1 ОЧАЮАТЕЕ ИЛИ 39 и 40 действует напряжение 58 ш-канального распределителя 35 импульсов, полученное из входного напряжения 51 пороговым элементом, например компаратором, На первых попарно объединенных входах логических элементов 41-44 действуют напряжения соответствующей фазы. На выходах логических элементов 39 и 40 действуют однополярные напряжения б и 62, которые узлами 28 развязки преобраэуких элементов ИСКЛ 10 ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 41-44в промежуток времени формируются напряжения 63 - 66 соответственно . Положительные полуволны напряжений61-66 соответствуют замкнутому состоянию ключей 6,9,10,13,14 и 1.7 соответственно, а уровень логическогонуля этих напряжений - замкнутомусостоянию ключей 7,8,11,12, 15 и,6инверторных ячеек 3-5 (Фиг.1),Такимобразом, до момента времени С алгоритм замыкания ключей инверторныхячеек не изменяется (в частности,для+ совс + 60 ) + сов(ИбО ) ЙЯ щ П хМх совцс 16)с = -- 116л Иф п6 Г 2---0 р 2 711ф эр 1 эр40ср где среднее значение выкодного напряжения на интервале времени;Ц - максимальное значение напряЧжения сети;Б.р- эффективное значение.Коэффициент пульсаций напряжения 71 на выходе демодулятора 21 А А 10,07, (г)гю 7" инверторной ячейки .3 одновременно замкнуты ключи 6 и 9, затем 7 и 8 и т.д. в соответствии с диаграммами 61 и 62) и напряжение 51 преобразу 5 ется в высокочастотное напряжение 67, напряжение 52 - в напряжение 68 и напряжение 53 - в напряжение 69.Поскольку вторичные обмотки трансформаторов 13-20 соединены последователь- ,10 1 но, то на входе демодулятора 21 действует высокочастотное напряжение, равное сумме напряжения 67 - 69.Ключи 22-25 демодулятора 21 замыкаются всоответствии с напряжением 54 так, 15 что положительная полуволна этого напряжения соответствует замкнутому состоянию ключей 22 и 25, а уровень логического нуля - замкнутому состоянию ключей 23 и 24, преобразуя сум марное высокочастотное напряжение в выпрямленное напряжение 70, под действием которого в нагрузке протекает ток 74. Огибающая амплитуда . выпрямленного напряжения в интервале времени й -Т(для наглядности продолженная пунктиром 71) имеет пульсацию с частотой ЗОО Гц и может быть записана как сумма гармонических колебаний по модулю.Принимая о"/2 за начало отсчета .для напряжения 71 на интервале повторяемости,среднее значение выходного напряжения демодулятора 21 можно представить в следующем виде(3)где Г,(;) - функция прямоугольногосинуса с полупериодома высокой частоты,Ключами инверторных ячеек 3-5 этоФ ток преобразуется в прямоугольный потребляемый ток 75-77. Так как Г (й) = 1, то1(4) где х- функция прямоугольногойсинуса с полупериодомА, равным полупериодувходного напряжения;Кт - коэффициент трансформации трансформаторов18-20.Алгоритм управления инверторными ячейками 3-5 построен так, что регулирование осуществляется поочередно каждым из инверторов 3-5 в соответствии с уровнем напряжения 55 ошибки, которое через пороговые элементы 36-38 подается на управляющие входы соответствующих фазосдвигающих узлов 29,301 31-32 или 33,34,С момента времени Снапряжение 55 ошибки начинает уменьшаться,это соответствует изменению управляющего сигнала на входах фазосдвигающих узлов 29 и 30, в то время как управляющие сигналы для инверторных ячеек 4 и 5 остаются неизменными и алгоритм замыкания ключей 10-17 этих ячеек также остается неизменным.Как только напряжение 55 ошибки становится соизмеримым с напряжением 56 и 57, начинают изменяться Фазы выходных напряжений 61 и 62. Углы регулирования 0 р и 3 р становятся меньше полупериода напряжения повышенной частоты и непрерывно изменяются до где А 1 " амплитуда первой гармоники.Постоянный ток нагрузки 1 (74, фиг.З) в интервале й -с, преобразуется демодулятором 21, и по обмоткам трансформаторов 18-20 протекает высокочастотный токмомента времени С, начиная с которого фр и ( р становится равнымиа/2, а азы напряжений 61 и 62 находятся в противофазе между собой.В интервале времени Г 1-С алгоритмыйзамыкания ключей б - 9 инверторнойячейки 3 непрерывно изменяются (прикаждой смене полярности любого изнапряжений 61 и 62) так, что одновременно замкнуты ключи 6,9-9,7-7,88,6-6,9-9,7-7,8-8,6-6,9-9,7, Этоталгоритм переключения ключей 6-9приводит к плавному регулированиюнапряжения 66, При С) Содновременно замкнуты ключи 6,8 и 7,9, аэто приводит к закорачиванию первичной обмотки трансформатора 19,поэтому напряжение 67 с этого моментастановится равным нулю,Таким образом, на следующем интервале времени С. на входе демодулятора 21 действует напряжение,равное сумме напряжений 68 и 69,после выпрямления которого получаютнапряжение 72. Среднее значение этого выпрямленного напряжения можно определить на периоде в повторяемостиссссц = -- 1 цЫ(с)г.ссО= -Ц =-ц, . (5)в 1 сгде Ц - среднее значение выходногон апряж ения н а инт ерв ал евремени С-С .Коэффициент пульсаций этого напряженияК, = 0,453.(6)Для известного устройства притаком же уровне выходного напряжения К = 1,25,На следующем интервале времений -С начинает уменьшаться управляюсьщий сигнал для Фазосдвигающих узлов31 и 32, который Формирует последовательности напряжений 63 и 64, опре-деляющие работу ключей 10-13 инверторной ячейки 4 (Фиг.1),Изменение углов .регулирования М сси с от а до а/2 и алгоритм замыкания ключей 10-13 инверторной ячейки4 аналогичны описанным для процесса регулирования, осуществляемогоинверторной ячейкой 3.На следующем промежутке времениСу-Гнапряжение 73 на выходе демодулятора 21 представляет собой выпрямленное напряжение 69. В этом случае среднее значение выпрямленного 10 напряжения на интервале времени С -СкЦ = -1 Ц впЯ сййср сс Мо2 2 Г 2ы - Ц тЦ (7) 15 ф пс сс с 1 с а коэффициент пульсаций Кп = Оф 9 ф для известного устройства(8) К, = 1,62.Процессы, протекающие в промежутке времени С -6, аналогичны процессам на временных интервалах 25 и-1и определяются напряжением355 ошибки, в результате чего на следующем этапе при1 выпрямленноенапряжение равно нулю.Дальнейшее уменьшение управляюще го напряжения Ц п позволяет реализовать реверс выходного выпрямленногонапряжения, алгоритм осуществлениякоторого представляет последовательное реверсивное включение инверторных ячеек 3-5, при этом углы задержки Ф о и опереженияизменяютсяот а/2 до О, причем при 0( = р =О последовательности напряжении,например, 61 и 62 находятся в фаземежду собой и в противофазе с напряжением 54 задающего генератора 26,Алгоритм работы ключей демодулятора21 при этом не изменяется, одновременно замыкаются ключи 22 и 25, затем 45 ключи 23 и 24 и т.д., поэтому на выходе демодулятора напряжение автоматически реверсируетсяИспользование системы автоматичес" 50 кого регулирования по отклонениюудобно показать в нижнем диапазонерегулирования, а именно на участкевремени С 4-. Для наглядности напряжение ошибки рассматривают как участ :ки прямых 55 (фиг,2), в условияхприближенных к реальным, напряжениеошибки имеет форму 8 (Фиг.4), приэтом алгоритм замыкания ключей инверторных ячеек и демодулятора анало6 гичен описанному, а напряжение на выходе имеет форму 8.Таким образом, в преобразователе ш-фазного переменного напряжения снижены массогабаритные показатели за счет снижения массы и габаритов фильтров, так как величина коэффициента пульсаций в зависимости от глубины регулирования выходного напряжения уменьшается в 2-3 раза. Это обеспечивается предлагаемым алгоритмом управления ключами инверторных ячеек, и, как следствие, введением дополнитальных узлов в блок управления.Кроме того, по мере снижения выходного напряжения в процессе регулирования снижается частота пульсаций, обусловленная пульсациями сети,что в замкнутой системе регулирования сопровождается ростом петлевого коэффициента усиления на этой частоте и приводит к повышению степени подавления этих пульсаций контуром регулирования.Предлагаемый преобразователь посравнению с известным позволяет на 20" ЗОХ снизить массу и габариты устройства за счет двукратного снижения массы фильтров. Формула изобретенияПреобразователь ш-фазного переменного напряжениясодержащий входной и выходной фильтры, ш инверторных ячеек на полностью управляемых ключах с. двустороинЕЙ провбдимостью, в выходной диагонали которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов, а вторичные обмотки соединены последовательно и подключены к входу демодулятора на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, выходом через выходной фильтр связанного с выход 38777 , 2ными выводами, и блок управления,1 включакщий в себя задающий генератор, 2 ш+ узлов развязки, логическийузел,- два фазосдвигающих узла с от стающим и опережающим углами и шканальный распределитель импульсов,связанный с входными выводами преобразователя, выходы логического уз 0 ла через 2 ш узлов развязки соединены с управляющими входами ключейинверторных ячеек, а выход задающегогенератора через узел развязки связан с управляющими входами ключейдемодулятора, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения массогабаритных показателей, к выходнымвыводам подключен делитель напряжения, в блок управления дополнитель 20 но введены ш пороговых элементов,сумматор, 2 шфазосдвигающих узлов сотстающим и опережающим углами,тактирующие входы которых подключены кзадающему генератору, а управляющие25 входы соответствующих пар фазосдвигающих узлов через пороговые элементы подключены к выходу сумматора, одиниз входов которого подключен к управляющему входу преобразователя, а дру гой вход соединен с выходом делителянапряжения, причем логический узелвыполнен в виде ш групп из двух логических элементов ИСКЛЮЧАЮЯЕЕ ИЛИ,первые входы которых объединены и 35 подключены к соответствующему длякаждой из ш групп выходу ш-канального распределителя импульсов, вторыевходы первых логических элементовИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ каждой из ш групп 40 соединены с вьжодами соответствуюшихфазосдвигающих узлов с отстающимиуглами, а вторые входы вторых логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИкаждой из ш групп соединены с выхода ми соответствующих фазосдвигающихузлов с опережающими углами.1638777 актор А.Огар Заказ 932 Тираж 381 . . ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям пр113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент" г, Ужгород, ул. Гаг ставитель Г.Мьхред С Мигунов ык Корректор Н.Ревск