Способ регулирования выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения в переменное с амплитудно-импульсной модуляцией

тгатън и;, т ; ,кя О П И Е ИЗОБРЕТЕНИЯ И А Н Союз Еоввтеких Сециалистицвеюа Республик(61) До (22) За олнительное к авт. д-ву -489511/24-07 51) М. Кл 2 Н 02 М 7/5 ено 02.08.7 аявкиение присо судэрстеенный комкте СССР по делам нзооретенн и открыткй23) итет 3) УДК 621.314. .57 (088,8) 5.03.80. юллетен публиков публикования описания 15.03.8) Авторыизобретени Г П. Иванов ы Московский ордена Ленина энергетический инстит 1) Заявитель 54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕН ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОЕ С АМПЛИТУДНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦ1Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для построения вторичных источников питания устройств электроавтоматики и электроприводов переменного тока малой мощности (до единиц кВА), работающих как на переменную, так и на постоянную нагрузку в тех случаях, когда требуется согласование уровней напряжений питающей сети и потребителя, повышенное качество преобразованной электрической энергий и улучшенные массогабаритные показатели вторичного источника, а также регулирование выходного напряжения преобразователя или его стабилизация при изменении напряжения питающей сети.Выполнение основных выше перечисленных требований обеспечивается в автономных инверторах применением различных видов модуляции напряжения. Наибольшее распространение получили широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) . Эти методы формирования. напряжения основаны или на изменении (модуляции) длительности отдельных импульсов равной амплитуды(ШИМ), или на изменении (модуляции) амплитуды и длительности ступеней (АИМ).Перспективным способом улучшениягармонического состава выходного напряжения инверторов является АИМ. АИМ для обеспечения одинакового с ШИМ качества преобразований электрической энергии реализуется с меньшими коммутационными потерями за счет меньшего числа тактовых интервалов.Регулирование (стабилизация) величинывыходного напряжения интервалов с АИМ может быть обеспечено различными методами в зависимости от структуры преобрафвзователя. МояЯо условно выделить два основных принцйареализации структур: с 15 суммированием выходных напряжений нескольких преобразующих каналов в узле и с суммированием в общем контуре. При первом принципе построения преобразователь содержит один однофазный инвертор с трансформаторным выходом и дополнительные ключи, формирующие напряжение с АИМ за счет переключения отпаек соответствующих обмоток трансформатора, первичной или вторичной 1.мянутых прямоугольных импульсах осуществляют на интервалах квантования, соответствующих меньшим уровням лишь выходногонапряжения, а на остальных интервалахквантования формируют меньшие по уровню,чем основные, дополнитеЛьные импульсы,длительность которых равна длительностирегулировочного интервала.Другое отличие состоит в том, что приформировании пауз в упомянутых прямоугольных импульсах, часть паузы вводятв начале, а часть - в конце интервалаквантования.Кроме того, с целью упрощения реализации предлагаемого способа, паузы в упомянутых прямоугольных импульсах вводятили только в начале или только в концеинтервала квантования.В зависимости от требований к глубинерегулирования выходного напряжения формирование пауз в прямоугольных импульсахосуществляют не только на интервалах квантования, соответствующих наименьшимуровням выходного напряжения, но такжеи на интервалах квантования с уровнем,ближайшими к наименьшему уровню выходного напряжения,Такой способ регулирования позволяетуменьшить искажения выходного напряжения преобразователя за счет уменьшениячисла (И) интервалов квантования, на которых формируют паузы с нулевым потенциалом, до двух, трех или более, а на остальных интервалах квантования формируютперепады напряжений так, что регулировоч-ному интервалу соответствует меньший уровень напряжения, т. е. осуществляют частичное широтно-импульсное регулирование выходного напряжения преобразователя.На фиг, 1 показана принципиальная схема силовой части преобразователя, реализующего предлагаемый способ и блок-схемаустройства для управления преобразователем; на фиг. 2 - временные диаграммы,поясняющие принцип работы преобразователя по предложенному способу при 1 Ч = 2;на фиг. 3 - алгоритмы управления и выходное напряжение преобразователя при Ы = 3,сформированные по предложенному способу;на фиг, 4 - зависимость коэффициентагармоиик выходного напряжения преобразователя, действующего значения Б выходного напряжения и амплитуды его первойгармоники 1.1 вот величины регулировочногоинтервала для известного (4, а) и предлагаемого способа (4, б) при Я = 2,Преобразователь содержит однофазныймостовой инвертор 1 с ключами 2 - 5, образующими две его стойки. Инвертор 1 нагружен на первичную обмотку 6 согласующего трансформатора 7. Его вторичная обмотка 8 одной из своих отпаек 9 непосредственно, а другими отпайками 10 - 16 через 7206433При втором принципе построения преобразователь содержит несколько однофазных"инверторов с одинаковыми алгоритмамиуправления, но сдвинутыми по фазе в каждом инверторе относительно соседних инверторов, или с разными (но сфазированнымипо основной гармонике) алгоритмами, причем каждый инвертор нагружен на трансформатор, выходные обмотки которых соединены последовательно. Структуры преобразователей, реализующие первый принциппостроения с переключением отпаек на вторичной стороне трансформатора, характе-,ризуются повышенной частотой работы согласующего трансформатора, что позволяетполучить хорошие массогабаритные показатели преобразователя в целом и поэтому 15им отдается предпочтение.Регулирование (стабилизация) выходного напряжения преобразователей, построенных по (первому) принципу с суммированием в узле, может быть осуществлено поспособу, описанному в 12,Известный способ регулирования осуществляют путем формирования прямоугольных разнополярных импульсов и преобра"- " " зования их в разные уровни выходного на 23пряжения преобразователя, симметричныена первой и второй четверти периода этогонапряжейия. Эти прямоугольные импульсыформируют с частотой, кратной частоте квантования уровней выходного напряжения,и с паузой на каждом интервале квантова ения, равной регулировочному интервалувыходного напряжения, т. е. осуществляют100/О-ное широтно-импульсное регулирование напряжения.Кнедостаткам известного способа, когдапаузу с нулевым потенциалом формируютв пределах каждого интервала квантованиявыходного напряжения, можно отнести невысокое качество выходного напряженияпреобразователя при его регулировании илистабилизации (например, при изменении 4 Внапряжения питающей сети в пределах + 15),Целью изобретения является уменьшениеискажений выходного напряжения преобразователя в заданном диапазоне регулирования (стабилизации).4Для достижения поставленной цели используют известный способ, который осуществляется путем формирования прямоугольных разнополярных импульсов и преобразования их в разные уровни выходного0напряжения преобразователя, симметричнорасположенных относительно середины полупериода этого напряжения. Упомянутые прямоугольные импульсы формируют с частотой,кратной частоте квантования уровней выходного напряжения, и с паузой, равной 5регулировочному интервалу выходного напряжения. В отличие от известного при предлагаемом способе формирование пауз в упо5ключи 17 - 23 коммутатора 24 соединеныс выходными выводами преобразователя,Принцип формирования управляющихсигналов ключей однофазного инвергораи коммутатора при формировании кривыхвыходного напряжения по предлагаемомуспособу поясняется временными диаграммами на фиг. 2, 3,где 112 Ю - сигналы управления, подаваемые на входы ключей однофазного инвертора;юю1-1 тр, форма напряжения на первичной обмотке трансформатора;О - форма выходного напряжения преобразователя;11ЛА, - сигналы управления, подава- иемые на управляющие входыключей коммутатора,Исходя из требований к качеству выходного напряжения для иллюстрации, выберемчисло интервалов квантования на полупери 20оде выходного напряжения равным, например, семи (см. фиг. 2, в). Ранее, по известному способу, регулирование (стабилизация)выходного напряжения осуществлялось путем формирования прямоугольных импульсов с частотой, кратной частоте квантованияуровней выходного напряжения преобразователя и с паузой на каждом интервалеквантования, равной регулировочному интервалу выходного напряжения, т. е. осуществлялось 100/-ное широтно-импульсное регулирование напряжения на каждом интервалеквантования. С целью уменьшения искажений выходного напряжения в заданном диапазоне регулирования (стабилизации), напервичной обмотке 6 трансформатора 7 формируют прямоугольные импульсы 1.1, (см.фиг, 2, б) с частотой, кратной частоте квантования уровней выходного напряжения 11преобразователя, и паузами 1 ((см. фиг. 2, в) с нулевым потенциалом лишьна тех интервалах квантования, на которых 40к выходным выводам преобразователя подводят наименьший уровень выходного напряжения т. е. на интервалах 1 ц - 1 и 1 - т . Наинтервалах 1 - 11-, - 1 формируютдвухступенчатые импульсы, у которых длительность нижней ступени равна длительности регулировочного интервала , а уровнипервой, второй и т. д. упомянутых нижнихступеней на первой четверти периода выходного напряжения, т. е. на интервалах 1 -1 - , равны соответственно первому,второму и т. д. его уровням, на второй жечетверти периода выходного напряжения,т. е. на интервалах 14 - Ь, 1 ь - 1 ступенчатые импульсы формируются симметрично.Таким образом на интервалах квантования без пауз осуществляют частичное широтно- импульсное регулирование выходного напряжения. ЬВ том случае, когда требуется больший диапазон регулирования ( стабилизации) выходного напряжения преобразователя (см. фиг. 3, а, б, в, г), паузы с нулевым потенциалом формируют не только на тех интервалах квантования, на которых к выходным выводам преобразователя подводят наименьший уровень выходного напряжения, т. е. на интервалах 1, - 1 и Ь - 1 но и на интервалах квантования непосредственно примыкающих к ним, т. е. 1 - 1 г.Алгоритм формирования двухступенчатых импульсов на интервалах квантования без пауз, т. е. на интервалах 1 - 11-, - Ь аналогичен рассмотренному на фиг. 2,В обоих случаях возможна реализация как симметричного широтно-импульсного регулирования выходного напряжения (для примера, рассмотренного на фиг. 2, в), когда часть регулировочного интервала вводится в начале, а часть - в конце интервала квантования, так и несимметричного регулирования, когда паузы вводят только в начале или только в конце интервала квантования (фиг. 3, в). Причем введение несимметричного регулирования позволяет упростить реализацию предлагаемого способа.Принцип формирования управляющих сигналов преобразователя поясняется временными диаграммами на фиг. 2.На интервале 1 в - 1 формируют отпирающий сигнал для ключа 5, запирающий сигнал для ключа 4 и сигналы с широтной модуляцией, подаваемые на входы ключей 2 - 3 мостового инвертора 1 и ключа 21 коммутатора 24, которые в результате этого дважды переключаются. При этом на первичной обмотке 6 трансформатора 7 формируют прямоугольный импульс напряжения Б , с паузами, равными регулировочным интервалам выходного напряжения, а полярндсть обмоток трансформатора такова, что на нагрузке формируют первый (наименьший) уровень положительной полуволны выходного напряжения 1.1, На интервале 1 - 1 г формируют отпирающие сигналы для ключей 3 - 4, запирающие сигналы для ключей 2, 5 инвертора 1 и сигналы с широтной модуляцией, подаваемые на входы ключей 19 - 20 коммутатора 24. В результате на первичной обмотке 6 трансформатора 7 формируют отрицательный импульс напряжения 13 тр, без пауз,а квыходным выводам преобразователя поочередно подводят соседние уровни напряжения (первый уровень и второй) так, что моменты подключения меньшего уровня напряжения (моменты замыкания ключа 20 коммутатора 24) соответствуют регулировочной паузе, Принцип дальнейшего формирования управляющих сигналов на интервале 1 Л ясен из последующего рассмотрения временных диа720643 Формула изобретения 1. Способ регулирования выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения в переменное с амплитудно-импульсной модуляцией путем формированияпрямоугольных разнополярных импульсов 7грамм на фиг, 2 и аналогичен уже рассмотренным ситуациям.В том случае, когда требуется большийдиапазон регулирования (стабилизации)выходного напряжения преобразователя,паузы в прямоугольных импульсах, формируемых на первичной обмотке 6 трансформатора 7, вводят на трех (см. фиг. 3) иболее интервалах квантования.Блок-схема (фиг. 1, б) содержит однофазный мостовой инвертор 1, согласующийвысокочастотный трансформатор 7, коммутатор 24, задающий генератор 25, многоканальный распределитель 26 импульсови узел 27 управления ключами инвертора,Задающий генератор 25 предназначендля формирования последовательности импульсов, управляющей многоканальным распределителем 26 импульсов и узлом 27 управления ключами инвертора, Распределитель26 импульсов служит для формированиясигналов управления ключевыми элементами17 - 23 коммутатора 24. Узел 27, представляющий из себя набор логических элементов,формирует упраляющие сигналы для ключей2 - 5 инвертора 1,На фиг. 4 представлены зависимостикоэффициента гармоник выходного напряжения преобразователя К(1.1), действующего значения 11 ф выходного напряженияи амплитуды его йервой гармоники 1.1 ф, отвеличины регулировочной паузы с 1 ф для случая, когда она, равная регулировочномуинтервалу, вводится при каждом уровневыходного напряжения преобразователя(4, а) и избирательно - по предлагаемомуспособу при 1 Ч = 2 и М = 3 (4, б). Из приведенных зависимостей видно, что предлагаемый способ при М = 2 позволяет осуществить регулирование напряжения навыходе преобразователя в пределах 1; 1,5,а также осуществить стабилизацию напряжения в пределах + 15% с существенноменьшими искажениями.Для получения большего диапазона регулирования выходного напряжения илименьших искажений следует брать большезначения числа М. и преобразования их в разные по уровнюосновные импульсы выходного напряженияпреобразователя, симметрично расположенных относительно середины полупериодаэтого напряжения, причем упомянутые прямоугольные импульсы формируют с частотой, кратной частоте квантования уровнейвыходного напряжения, и с паузой, равнойрегулировочному интервалу выходного напряжения, отличающийся тем, что, с цельюуменьшения искажений выходного напряжеф ния в заданном диапазоне регулирования,формирование пауз в упомянутых прямоугольных импульсах осуществляют на интервалах квантования, соответствующих меньшим уровням выходного напряжения, а наостальных интервалах квантования формируют меньшие по уровню, чем основные,дополнительные импульсы, длительность которых равна длительности регулировочногоинтервала.2, Способ регулирования по и. 1, отличающийся тем, что часть регулировочныхинтервалов формируют в начале, а часть -в конце интервалов квантования,3. Способ регулирования по и. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения реа 25 лизации, регулировочный интервал формируют в начале интервалов квантования.4. Способ регулирования по п. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения реализации, регулировочный интервал формируют в конце интервалов квантования.5. Способ регулирования по пп. 1 - 4,отличающийся тем, что формирование паузв прямоугольных импульсах осуществляютна интервалах квантования, соответствующих наименьшим уровням выходного напряжения.6, Способ регулирования по пп. 1 - 5,отличающийся тем, что, с целью расширениядиапазона регулирования, формированиепауз в прямоугольных импульсах осуществ 4 р ляют также на интервалах квантования суровнями, ближайшими к наименьшему уровню выходного напряжения.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР280629, кл. Н 02 М 7/48, 1968.2. Сб. " Промышленная и медицинскаяэлектроника.". Преобразовательная техника.Труды ХХ 1 конференции по радиоэлектро.нике, посвященной Дню радио, том 1. Издательство Томского университета, 1974,с. 185.дз 720643 ахг 1 Гй 9 Ьл 5,0 1,0 08 02Д/) ОуОГ О,В кит Составительанов Техред К. ШуТираж 783ИИПИ Государственногопо делам изобретений5, Москва, Ж - 35, РауППП Патенть, г. Ужго 113 илналРедактор Ю, ЧелвкЗаказ 10246/45ЦН коми и о шская од,Коррект Подписи тета СССР ткрытийнаб д, 4/5 ул, Проектная