Преобразовательная установка

О П И С А Н И Е ( )955460ИЗОВРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(51) М. Кл.э Н 02 М 7/537 Н 02 М 7/48 Гееударствеиимй иемитет СССР Опубликовано 30.08.82, Бюллетень 32Дата опубликования описания 05.09.82ив делам иаееретеиий и втирмтий(71) Заявитель евский ордена Ленина политехнический инс Великой Октябрьской социалистической 4) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВК Изобретение относится к пржбразовательной технике и может быть использовано в различного рода энергосистемах (например, в энергосистемах автономных объектов) для преобразования напряжения первичного источника электроснабжения в постоянное напряжение требуемого уровня.Известны преобразовательные установки,содержащие низкочастотный выпрямитель,низкочастотный сглаживающий фильтр, модулятор, высокочастотный выпрямитель, вы осокочастотный сглаживающий фильтр и систему управления, обеспечивающую заданный алгоритм переключения ключей модулятора (Ц и 12,Недостатком известных устройств являются низкие энергетические характеристики, обусловленные повышенными динамическими потерями в ключах модулятора, нагруженного на выпрямитель со сглаживающим фильтром на выходе.Из известных преобразовательных установок наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является преобразовательная установка, которая содержит соединенные последовательно низкочастотныйвыпрямитель, низкочастотный сглаживающий фильтр, модулятор, выполненный в виде 1 Ч однофазных инверторов, нагруженных на трансформаторы, выходные обмотки которых соединены последовательно и образуют общий выход модулятора, высокочастотный выпрямитель и высокочастотный сглаживающий фильтр, выход которого образует общий выход преобразовательной установки, а также систему управления, содержащую блок формирования задающих напряжений, связанный с ним фазосдвигающий блок и усилительно-развязывающий узел, выполненный в виде 2 Х оконечных усилителей мощности с трансформаторным выходом и связанных с управляющими входами силовых ключей модулятора 3,Недостатком известной преобразовательной установки являются низкие энергетические характеристики, обусловленные повышенными динамическими потерями в ключах модулятора, возникающими при демодуляции его выходного напряжения, формйруемого в виде прямоугольного импульсного напряжения. Повышенные динамические потери в ключах вызваны возникновением режимов кратковременного короткого замыкания для модулятора в моменты времени коммутации3тока вентилей высокочастотного выпрямителя. При этом силовые транзисторы, на которых, как правило, выполняются высокочастотные модуляторы, переходят из режима насыщения в активный режим работы, и на них выделяется значительная мгновенная мощность.Цель изобретения - улучшение энергетических характеристик путем уменьшения динамических потерь.Поставленная цель достигается. тем, что преобразовательная установка, содержащая соединенные последовательно низкочастотный выпрямитель, низкочастотный сглаживающий фильтр, модулятор, выполненный в виде М однофазных инверторов, нагруженных на трансформаторы, выходные обмотки которых соединены последовательно и образуют общий выход модулятора, высокочастотный выпрямитель и высокочастотный сглаживающий фильтр, выход которого образует общий выход преобразовательной установки, а также систему управления, содержащую блок формирования задающих напряжений, связанный с ним фазосдвигающий блок и усилительно-развязывающий узел, выполненный в виде 2 И оконечных усилителей мощности с трансформаторным выходом и связанный с управляющими входами силовых ключей модулятора, дополнительно снабжена двумя М-канальными распределителями импульсов, входы одного из которых подключены к выходам блока формирования задающих напряжений, другого - к выходам фазосдвигающего блока, а выходы - обоих к соответствующим входам усилительно-развязывающего узла.При этом каждый М-канальный распределитель импульсов выполнен в виде соединенных последовательно схемы удвоения частоты и К-отводной линии задержки, Й выводов которой подключены соответственно к тактовым входам Х триггеров и, кроме того, выходы К-го триггера соединены с управляющими входами К - 1-го триггера, а управляющие входы Й-го триггера связаны с входом Й-канального распределителя импульсов, при этом входы схемы удвоения частоты образуют входы Й-канального распределителя импульсов, а выходы каждого из Й триггеров образуют выходы Й-канального распределителя импульсов.На фиг.,1 представлена структурная схема предлагаемой установки; на фиг. 2 - структурная схема Й-канальных распределителей импульсов; на фиг. 3 - структурная схема блока формирования задающих напряжений и фаэосдвигающего блока; на фиг. 4 - диаграммы, поясняющие принцип работы установки; на фиг. 5 - диаграммы, поясняющие принцип формирования выходных напряжений блока формирования задаю. щих напряжений и фазосдвигающего блока.Преобразовательная установка содержит соединенные последовательно низкочастот 5 1 О 15 20 25 зо 35 40 45 50 55 ный выпрямитель 1, низкочастотный сглаживающий фильтр 2, модулятор 3, выполненный в виде Х однофазных инверторов 4, нагруженных на трансформаторы 5, выходные обмотки которых соединены последовательно и образуют общий выход модулятора, высокочастотный выпрямитель 6 и высокочастотный сглаживающий фильтр 7, выход которого образует общий выход преобразовательной установки, а также систему 8 управления, содержащую блок формирования задающих напряжений 9, связанный с ним фазосдвигающий блок 10, и усилительно-развяэывающий узел 11, выполненный в виде 2 М оконечных усилителей мощности с трансформаторным выходом и связанный с управляющими входами силовых ключей 12 модулятора. В состав системы управления входят также два И-канальных распределителя 13 импульсов, входы одного из которых подключены к выходам блока 9 формирования задающих напряжений, а другого - к выходам фазосдвигающего блока 10, каждый 1 Ч-канальный распределитель 13 импульсов (фиг. 2) выполнен в виде соединенных последовательно схемы 14 удвоения частоты и К-отводной линии 15 задержки, Ы выводов которой подключены соответственно к тактовым входам Х триггеров 16 и, кроме того, выходы К-го триггера соединены с управляющими входами К - 1-го триггера, а входы 1 М-го триггера связаны с входом И-канального распределителя 13 импульсов. При этом выходы каждого из Й триггеров 16 связаны с соответствующими входами усилительно-развяэывающего узла 11.Блок 9 формирования задающих напряжений (фиг. 3) выполнен в виде соединенных последовательно задающего генератора 17 и .-отводной линии 18 задержки к входу 19 и выходам, 20 - 24 которой подключена входами схема 25 совпадения, первые выходы 26 и 27 которой связаны соответственно с входом фазосдвигающего блока 10 и входом синхронизирующего триггера 28, ,выходы 29 и 30 которого образуют выход блока 9 формирования задающих напряжений.фазосдвигающий блок 10 выполнен в виде соединенных последовательно генератора 31 пилообразного напряжения, схемы 32 сравнения, на один вход которой поступает управляющее напряжение, первой 33 и второй 34 двухвходовых схем И- НЕ и синхронизируемого триггера 35, выходы 36 и 37 которого образуют выход фазосдвигающего блока 10, Вторые входы первой 33 и второй 34 схем И - НЕ связаны с вторыми выходами 38 и 39 схемы 25 совпадения, а управляющие входы 40 синхронизируемого триггера 35 связаны с выходами синхронизирующего триггера 28.Рассмотрим принцип работы предложенного технического решения (для случая, когда модулятор 3 содержит три однофазиых инвертора 4),На выходах блока 9 формирования задающих напряжений и фазосдвигающего блока 10 формируются последовательности импульсных напряжений 41, 42 и 43, 44 типа меандр, сдвинутых относительно друг друга на угол р, определяемого как интервал между фронтом импульсов 41 и 43, 45 - управляющее напряжение. В качестве линейноизменяющегося напряжения может быть использовано пилообразное напряжение 46 либо треугольное напряжение для случая симметричного регулирования выходного напряжения модулятора 3.В предлагаемом техническом решениипри построении высокочастотных распределителей импульсов предложено использование К-отводной линии 15 задержки, какнаиболее простого сдвигающего элемента. Практическая реализация К-отводной линии задержки 15 возможна в виде последовательно соединенных микролиний задержки с высокостабильными характеристиками в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. При построении такихраспределителей импульсов были рассмотрены несколько вариантов иэ возможной реализации. Первый и наиболее простой из них заключается в том, что на входы соответствующих К-отводных линий 15 задержки подавались импульсы напряжения последовательностей импульсов 41 и 43 либо 42 и 44 непосредственно с выходов блока 9 формирования задающих напряжений и фазосдвигающего блока 10, а выходы К-отводных линий 15 задержки через развязывающие логические элементы соединялись с соответствующими усилителями мощности усилительно развязывающего узла 11. Однакоэтот вариант оказался неприемлемым из-завозникновения значительной несимметрии импульсов управления (особенно при большом диапазоне изменения температуры окружающей среды), что приводило к появлению вынужденного подмагничивания трансформаторов усилителей мощности.Второй вариант заключается в передаче по К-отводным линиям 15 задержки ШИМ- напряжения (импульсного напряжения 47с выхода схемы 32 сравнения) с последующим подключением к ее выходам триггеров16. При этом оказалась невозможной передача по линии задержки коротких импульсов (в моменты времени приближения величины управляющего напряжения 45 к нижнемуили верхнему уровню линейно-изменяющегося напряжения 46) из-за ограниченной полосы пропускаиия линии задержки.В третьем варианте, выбранном в качестве основного, на вход К-отводной линни задержки подаются последовательности импульсов 48 и 49, полученные соответственно из последовательностей 41 и 43 умножением частот последних на 2. При этом создаются условия для неискаженной передачи сигнала по К-отводиым линиям 15 задержки. После 55 Для обеспечения нормальной работы фазосдвигающего блока 10 необходимо, чтобы при изменении величины управляющего напряжения 45 выше (диаграмма 70) или ниже (диаграмма 71) уровня пилообразного напряжения 46 не происходило сбоя в работе довательность же импульсов управления 50 - 52 и 53 - 55, сдвинутых относительно импульсов соответственно 41 и 43, формируют на выходах триггеров 16 с коэффициентом деления 2, подключенных к соответствую щим выходам К-канальных линий задержкии синхронизированных между собой,Последовательности импульсов, 50 - 52и 53 - 55 через соответствующие усилители мощности усилительно-развязывающего уз Ола 11 поступают на соответствующие ключи 12 однофазных инверторов 4, на выходах которых формируются последовательности импульсных напряжений 56 - 58, скважность которых зависит от величины управляющего напряжения 45. На выходе модулятора 3 при этом формируется квазисинусоидальное напряжение 59.Использование в качестве сдвигающихэлементов К-отводных линий 15 задержки позволяет без особого усложнения схем распределителей получить на выходах последних импульсные напряжения с оптимальным фазовых сдвигом относительно друг друга, обеспечивающим формирование на выходе модулятора 3 при выбранном количестве инверторов 4 (в зависимости от мощности пре образовательной установки) квазисинусоидального высокочастотного напряжения 59 с наилучшим гармоническим составом.Высокочастотное квазисинусоидальное напряжение выпрямляется выпрямителем 6 и после фильтрации поступает на нагрузку.30 Более подробно рассмотрим принцип формирования напряжений 41 и 42 блока 9 формирования задающих напряжений,43 и 44 фазосдвигающего блока 10.На выходе задающего генератора 17 формируется последовательность импульсов 60, которая поступает на вход 19 1.-отводной линии 18 задержки. При этом на выходах 20 - 24 1;отводной линии задержки 18 формируются соответственно последовательности импульсов 61 - 65, а на выходах 26, 27 40 и 38, 39 схемы 25 совпадения формируютсясоответственно импульсные напряжения 66 - 69, Напряжение 66 с выхода 27 схемы 25 совпадения поступает на запуск синхро низирующего триггера 28, на выходах 29 и 30 которого вырабатываются последова гельности импульсных напряжений 41 и 42типа меандр, а напряжение 67 с выхода 26 поступает на вход генератора 31 линейно изменяющегося напряжения, на выходе которого формируется пилообразное напряжение 46, поступающее на один вход схемы 32 сравнения. На второй вход схемы 32 сравнения подается управляющее напряжение 45.5 10 15 20 25 зо 35 40 45 50 синхронизируемого триггера 35. Предлагаемая структура блока 9 формирования задающих напряжений и фазосдвигающего блока0 позволяет исключить возможность возникновения таких сбоев. На выходе схемы 32 сравнения в зависимости от величины управляющего напряжения 45 формируется напряжение, показанное на диаграммах 72 - 74. При этом на выходе первой двухвходовой схемы И - НЕ 33, на один вход которой поступает последовательность импульсов 69 с выхода 38 схемы 25 совпадения, вырабатывается напряжение 75 - 7.Соединение второй двухвходовой схемы И - НЕ 34 с выходом первой двухвходовой схемы И - НЕ 33 и выходом 39 схемы совпадения 25 обеспечивает такой режим работы, при котором в зависимости от уровня управляющего напряжения 45 на выходе двухвходовой схемы 34 формируется импульсное напряжение (диаграммы 78 - 80), обеспечивающее выработку последовательностей импульсов 43 и 44 на выходах 36 и 37 синхронизируемого триггера 35.Дополнительное введение в состав преобразовательной установки двух М-канальных распределителей импульсов позволяет значительно улучшить энергетические характеристики предлагаемого технического решения по сравнению с выбранным прототипом.На выходе модулятора в предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа, формируется высокочастотное квазисинусоидальное напряжение. При этом в отличие от известного технического решения, где динамические потери составляют 5 - 7 О/, от мощности нагрузки, при выпрямлении квазисинусоидального напряжения значительно уменьшается время коммутации тока вентилей высокочастотного напрямителя, что приводит к снижению динамических потерь в ключах модулятора до 1 О/о от мощности нагрузки, а следовательно повышает энергетические характеристики предлагаемой преобразовательной установки.Следует также отметить, что формирование квазисинусоидального напряжения на выходе модулятора в предлагаемом техническом решении (особенно при больших мощностях преобразовательной установки) приводит к снижению уровня создаваемых установкой помех, оказывающих нежелательное влияние на работу окружающей аппаратуры, в результате чего уменьшается масса и габариты помехоподавляющих фильтров.формула изобретения1. Преобразовательная установка,содержащая соединенные последовательно низкочастотный выпрямитель, низкочастотный сглаживающий фильтр, модулятор, выполненный в виде 1 Ч однофазных инверторов, нагруженных на трансформаторы, выходные обмотки которых соединены последовательно и образуют общий выход модулятора, высокочастотный выпрямитель и высокочастотный сглаживающий фильтр, выход которого образует общий выход преобразовательной установки, а также систему управления, содержащую блок формирования задающих напряжений, связанный с ним фазосдвигающий блок, и усилительно-развязывающий узел, выполненный в виде 2 Х оконечных усилителей мощности с трансформаторным выходом и связанный с управляющими входами силовых ключей модулятора, отличающаяся тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик путем уменьшения динамических потерь, она дополнительно снабжена двумя К-канальными распределителями импульсов, входы одного из которых подключены к выходам блока формирования задающих напряжений, другого - к выходам фазосдвигающего блока, а выходы обоих - к соответствующим входам усилительно-развязывающего узла.2. Установка, по п. 1, отличающаяся тем, что каждый из Н-канальных распределителей импульсов выполнен в виде соединенных последовательно схемы удвоения частоты и К-отводной линии задержки, И выводов которой подключены соответственно к тактовым входам М триггеров, кроме того, выходы К-го триггера соединены с управляющими входами К - 1-го триггера, а управляющие входы И-го триггера связаны с входами И-канального распределителя импульсов, при этом входы схемы удвоения частоты образуют входы Х-канального распределителя импульсов, а выходы каждого из 1 Ч- триггеров образуют выходы й-канального распределителя импульсов. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР по заявке2746996/24-07, кл. Н 02 М 7/537, 1979.2. Авторское свидетельство СССР по заявке2608660/24-07, кл. Н 02 М 7/537, 1978.3. Кобзев А. В. Воспроизведение сигналов методом многозонной импульсной модуляции. В кн. Автоматизация управления организационными и техническими системами. Изд-во Томского университета, Томск, 1979, с. 44 - 57, рис. 1.итель ИА. Войк21 1303лиал едактор Е. Папиаказ 6469/73В Сост Техред Тираж ИПИ Государст по делам изобр Москва, Ж - 3 ППП Патент, венногоетений5, РаушУжгор 1 икнтнс Корректор М. ДПодписноеомитета СССРоткрытийкая наб д, 4/5д, ул. Проектная, 4