Способ дискретного преобразования напряжения и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик 1005247Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийОпубликовано 1503.83. Бюллетень М 10 Дата опубликования описания 1503.83(54) СПОСОБ ДИСКРЕТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОИСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ 1 О 000(рсс+ (4) Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и предназначено для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины той же частоты, в частности для преобразования нестабильных низких переменных найряжений на сравнительно большие токи в регулируемое стабильное без искажения Формы выходного напряжения. По основному авт.св9 892610 известен способ преобразования ( 1) путем ввода в выходную цепь напряже" ний дополнительных уровней, которые Формируют путем выборки их из множества уровней, определяемых первым функциональным рядом, а подуронни напряжений в пределах основного и каждого дополнительного уровней напряжений вторым функциональным рядом, При этом наименьший из уровней задают по величине напряжения не большим, чем величина допустимого отклонения выходного напряжения от заданного, а другие в целое число раз больше наименьшего и вводят указанные уровни в выходную цепь встречно и согласно между собой и по отношению к основному уровню напряжения с дискретностью ныходного напряжения, равной напряжению наименьшего иэ уровней при выведенном, а затем при введенном основном напряжении питания, и наоборот, из условия достижения в любой момент времени величины и Формы выходного напряжения с заданной точностью. Более конкретно, в качестве первого Функционального ряда задают ряд геометрической прогрессииЦ.- а+4)" , (4) а н качестве второго - рад ариФмети" ческой прогрессии из условия, что отношения напряжений каждого иэ подуровней каждого дополнительного уровня напряжения к наименьшему из подуронней этого же уровня напряжения задают рядом1, 2, 3(- 1) Я . (2)отношение же напряжений каждого изподуровней основного уровня напряжения к наименьшему из подуровней этого же уровня рядом1, 2, 3(тя, Лл, (3) а напряжение наименьшего подуровня основного напряжения питания задаютДискретность выходного напряженияпри равномерном квантовании его поуровню обеспечивают комбинированиемчисла величин и полярностей подуровней основного и дополнительных уровней напряжений, одновременно вводимых в выходную цепь с помощью управляемых. ключей,Общее число уровней выходного напряжения в пределах одной полярностизадается выражением%С%с Й+ ф +э,10 Я+1)ф 4где Фс д -Й)15 причем обозначения в вышеприведен"ных выражениях имеют следующие эна"чения:0 - напряжение наименьшего из уровней, равное шагу квантования;И - номер дополнительного уровня1напряжения,где Ь 1, 2, 3(И),п (7)9 - номер подуровня в пределах каж 25дого дополнительного уровнянапряжения, где В.= 1, 2, 3(6- 1),Б; (8);И - общее число дополнительныхуровней напряжения;5 - общее число подуровней в пределах каждого дополнительногоуровня напряжения источника питания)т - общее число подуровней в пределах осчовного уровня напряже-. З 5ния;д - число,.характеризующее возможность одновременного ввода ввыходную цепь дополнительныхуровней напряжений согласно и 40(или) встречно между собой влюбых возможных сочетаниях ипринимающее значение О, 1, 21. 1 - число, характеризующее возможность вывода из выходной цепиодного или нескольких любыхдополнительных уровней напряжений при любых возможных .сочетаниях одновременно выводимыхуровней напряжений и принимающее значение 0,1;1 - число, характеризующее возможность ввода в выходную цепьдополнительных уровней напря"жения при выведенном основномуровне напряжения и принимающеезначение 0,11Р - число, характеризующее возможность ввода в выходную цепьдополнительных уровней напряжения встречно и согласно с каждым .из в подуровней основногоуровня напряжения и принимающеезначение О, 1, 2.Недостатком способа является то,что при преобразовании переменных 65напряжений ключи основной части устройства для осуцествления этого Способа переключают на повышенной частоте, в связи с чем КПД преобразования напряжения уменьшается с увеличением частоты переключения ключейи с уменьшением величины преобразуемых напряжений. Если частота первичного источника питания достаточно высока, то потери будут очень велики и су-. ществует такая критическая частота напряжения первичного источника, когда преобразование энергии переменного тока известным способом нерационально, так как частота первичного источника и звена повышенной, частоты становятся достаточно близкими и.не могут быть выбраны пройэвольно как, например, при преобразовании постоянного напряжения в постоянное. Кроме того, ключи для осуществления способа должны быть снабжены устройствами искусственной коммутации для предотврацения появления сквозных токов во.вспомогательных параллельных преобразователях и т.п. Это усложняет устройство и снижает его надежность.Целью и э обретения является повышение КПД и надежности в процессе преобразования энергии, а также упрощение и расширение области рабочих час.- тот при преобразовании переменных т напряжений.Поставленная цель достигается тем, что выбор дополнительных уров" ней производят с частотой напряжения питающей .сети, при этом ключи каждой преобразовательной ячейки переключают в режиме вольтовычитания встречно с напряжением первичного источника, а в .режиме вольтодобавки - согласно с ним при естественной коммутации тока ключей, а обцее число уровней выходного напряжения ф выбирают в соответствии с выражением%=СФс ИфвР)+фи 3из которых одну половинуполучаютв .противоФазе с другой половиной,причем%с=2 - число характеризующеевозможность одновременного ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжений согласно и (или)встречно между собойв любых.возможныхсочетаниях;- общее числоней в преддого дополнуровня напристочника п е СЬО,подуровелах кажительного яжения итания 1И - общее число дополнительных уровней напряжения;В - число (равное 0 или1), характеризующеевозможность ввода в 5,выходную цепь дополнительных уровней фнапряжения при выведенном основном уров-,не напряжения; 10)п - общее число подуровней в йрвделах ос :.новного уровни напряжениячисло, характеризую- Р = О, 1, 2 - щее йозможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней:напряжения встречно.или согласно иливстречно и согласнос каждым иэ и поду-:ровней основногоуровня напряженияНаиболее близким к предлагаемом) ,по технической сущности устройством для реализации способа является .ре" гулятор напряжения переменного тока (Ю ). В этом регуляторе, содержащем суммирующую цепь из последовательно соединенных четырехплечевых мостов, в 3 О диагонали которого включены вторичные обмотки трансформатора, возможно стуйенчатое регулирование вы" ходного напряжения без искажения формы выходного напряжения, 35Однако этому регулятору присущи и некоторые недостатки: повышенные потери в полупроводниковых элементах суммирующей цепи, повышенные масса и габариты основной части регулято р ра. При этом с увеличением числа последовательно включенных мостов увеличиваются потери, что ограничивает повышение точности и плавности регулирования напряжения, сужается 45 диапазон регулирования, айри низких напряжениях регулирование вообще невозможно. Так, при наличии четырех моетов и падения напряжения на его плечах равном 1;5 В регулирование напряжения возмакно только при напряжениях больших 12 В; Известный преобразователь не позволяет в полной мере реализовать возможности предлагаемого способа преобразования энергии.55 Поставленная цель достигаетсятем, что в устройстве, реализующем предлагаемый способ, содержащем инверторные ячейки науправляемых ключах с двухсторонней проводимостью, к 60 выходным выводам каждой из которых подключены зашунтированные полностью управляемыми ключами первичные обмотки трансформаторов, вторичные обмотки этих трансформаторов соединены последовательно, образуя суммирующую цепь, которая одним своим концом образует один выходной вывод устройства, а другим концом подключена через один последовательный управляемый клюЧ с двухсторонней проводимостью к первому входному выводу устройства и через второй шунтирующий управляемый ключ - к второму его входному выводу, объединенному с другим выходным выводом устройства, к которому подключены также одни силовые входные выводы всех инверторных ячеек, причем одни силовые концы одних ключей этих ячеек объединены и подключены к первому входному выводу устройства, . силовые концы других ключей инверторных ячеек также объединены между собой и подключены к точке соединения последовательного и шунтирукщего управляемых ключей с двухсторонней проводимостью.На фиг.1 и 2 представлены упрощенные варианты известного преобразова" теля, реализующего предложенный способ; на фиг,3 и 4 - варианты предложенного устройствами на фиг. 5 и 6- таблица кодов и диаграммы выходных напряжений, пояснякщие работу устройства.На Фиг.1 изображено устройство, содержащее силовые трансформаторы 1-3, имеющие обмотки 4-6, соединенные в суммирующую цеп, и первичные Ьбмотки 7-9, эашунтированные ключами 10-12. Инверторные ячейки 13-15 мостового типа присоединены параллельно источнику питания и выполнены на ключах 16-19. К входным выводам уст" ройства присоединены ключи 20 и 21 однйм зажимом, а вторые зажимы этих ключей подсоединены к зажиму обмотки 4 суммирующей цепи, Ключи 16-19 в совокупности с выходным трансформатором образуют инверторные ячейки устройства.В устройстве на Фиг.2 ключ 16 каждой преобразовательной ячейки присоединен к ключу 20 со стороны первич" ного источиика, а ключ 17 присоединен к ключу 20 со стороны обмоток 4 - 6 суммирующей цепи. Инверторные ячейки на Фиг. 3 и 4 выполнены по схеме с нулевым выводом обмотки. При этом на фиг.4 показано раздельное присоединение ключей 16 и 17. Все ключи основной части имеют двухстороннюю проводимость и переключаются с частотой источника питания при полном угле управления а180 эл. град. Выходные напряжения преобразователя (фиг.1) получают комбинированием включений и выключений напряжений. обмоток 4-6 суммирующей цепи и первичного источ" ника питания при непрерывном перно дическом переключении с частотой первичного источника питания ключа 20 (21). Вольтодобавочное напряжение на25 обмотках 4-6 или на некоторых из них получают периодическим одновременным переключением ключей 16 и 19 (Фиг.1)согласно с напряжением источникапитания. Вольтовычитающее напряжениена обмотках 4-6 или на некоторых изних получают периодическим одновременным.переключением ключей 17 и 18 встречно с напряжением источника питания. Напряжение на обмотках 4-6 илинекоторых из них (например, на обМот- )Оке 4), равное или близкое к нулю,получают при выключенных ключах 1619 и периодическом переключении ключа 10 (11 или 12) с частотой питающей сети; при отсутствии ключа 10 15ключи 16 и 17 выключены, а ключи18 и 19 переключаются. Выходное напряжение получается как сумма напряжений источника питания и суммарногонапряжения на обмотках 4-6 суммирующей цепи. Напряжение источника питания может быть исключено из суммирую" щей цепи, при этом ключ 20 выключен,а ключ 21 переключается с частотойпитающей сети. С помощью других устройств (Фиг.2-43 способ реализуется аналогично.При наличии дополнительных отпаек первичного источника питания вводят дополнительные ключи, с помощью которых соединяют каждую отпайку с обмоткой параллельного преобразователя. Возможны устройства, выполненные по многофазной схеме, на вспомогательных преобразователях, включенных последовательно с нагруэ. кой и т.п.35.Преобразователи переменного нап-. ряжения могут быть выполнены при любых значениях параметров Ю, ), 5 . На фиг.1-4 для простоты показаны лишь преобразователи при М=5=1 и 40 И," 3.На фиг.5 а - г даны примеры составления таблиц кодов для реализации предложенного способа преобразования напряжения. Эти коды реализуются с 45 помощью ключей 10-12 и 16-21 (фиг.1-4) и диаграммы (Фиг.5 д-ж) . Ввод напряжения питания ( 0) в цепь нагрузки осуществляется включением ключа 20 (ключ 21 выведен) Это соответствует коду 1 (фиг,5 д). Вывод напряжения питания из цепи нагрузки осуществляется отключением ключа 20 и включением ключа 21, что соответствует коду 0 (фиг,5 д). Коды, характеризующие ввод. в цепь нагрузки и вывод из нее напряжения питания для преобразователей на фиг.1-4, включены во второй слева столбец таблицы фиг.5 а.Ввод и вывод напряжения обмоток 0 4 - б суммирующей цепи характеризуются следующими кодами: 0 - напряжение обмоток выведено; 1- напряжение обмоток введено согласно ( в Фазе) с напряжением питания, (-1) - напряже ние обмоток введено встречно (в протовофазе) с напряжением питания. Вследующих столбцах таблиц на Фиг.5 аг внесены коды ввода и вывода напряжений суммирующей цепи; 1)4 - напряжение на обмотке 4; - напряжение на обмоТке 5; О - напряжение на обмотке б,Реализация кодов осуществляетсяс помощью ключей 10-12 и 16-19 всоответствии с диаграммами на фиг.5 е,Для наглядности рассмотрим реализацию кода 0 различными способами.Так код 0 может осуществляться включением ключа 10 .(вывод 04) или ключа11 вывод И или 12 ( вывод Оь при,выключеннйх ключах 16-19 (Фиг.1-4) .Код 0 может быть также реализованодновременным включением ключей 1 Ь- -1 в первый полупериод и ключей 1819 во второй полупериод (Фиг .1) .Код 0 можно реализовать включениемключей 18-19 (фиг.2) . При реализациикода 0 первым способом достигаетсявозможность уменьшения потерь включах 10-12, так как, во первых, приэтом в цепи включается только одинключ, во вторых, этот ключ может бытьприсоединен к любой имеющейся обмотке по автотрансформаторной схеме сбольшим числом витков обмоток или кдополнительной обмотке с большимчислом витков с целью уменьшения тока через этот ключ, При преобразованиинизких напряжений возможно уменьшение тока, а следовательно, и потерьв десятки раз. На фиг,б в качествепримеров показаны диаграммы напряжений питающей сетиИ и напряжения04 ООб на обмотках 4-6, а такженапряжения на нагрузке и, получаемоф.го как алгебраическая сумма напряжений0, 04, Об, 06. Диаграммы нап,ряжений на Фиг.б а-г совмещены с диаграммами работы ключей, Диаграммы на фиг.ба соответствуют коду 35 (фиг, 5 а) и реализуются преобразователями, показанными на фиг.1-4. ,Диаграммы на Фиг.б г реализуют код 22 (фиг.5 а) в преобразователях, показанных на Фиг, 1-4.Аналогичным образом могут быть получены все другие диаграммы напряжений, получаемых комбинированием ввода и вывода напряжений обмоток .4, 5 и б и напряжения питающей цепи (мО) в цепь нагрузки. Схему устройства и алгоритм управления выбирают в зависимости от конкретных задач, поставленных перед проектировщиком. Так алгоритм, реализуемый кодами (фиг.5 а) в преобразователях на Фиг.1- 4, используют при необходимости регулирования выходного напряжения от 0 до напряжения выше входного, если при этом не требуется гальваническая развязка источника с нагрузкой, а к массогабаритным показателямпредъявляются повышенные требования, Если диапазон регулирования выходного напряжения небольуой, а требования к КПД высокие,то более выгодно использование кодов таблицы 5 б и схемы, в которой отсутствуют ключи 20 и 21 в цепи нагрузки, Если же к КПД предъявляются высокие требования и необходим широкий диапазон регулирования выходного напряжения, то целесообразно применение кодов (Фиг.5 в), а если к тому же требуется гальвани- ческая развязка цепей питания и нагрузки, измерение фазы выходного напряжения, то используют коды фиг.5 г. В столбце б на Фиг 5 а и15 в столбцах 5 на Фиг,5 б-г вписаны в качестве примера значения выходных напряжений в вольтах приз-Ц"27 В; Ц 4 9 Вр 0=4 В, 06=1 В для фиг;5 а, бд О= 13 Вф 04 = 9 В 0 3 В) Об=1 В 20 для фиг. 5 в; О:9 В; (,).3 В; ОЬ.1 для фиг,5 г. 4Диаграммы напряжений на фиг.б показаны при полном угле управления В этом случае реализуется передача 25 желаемого уровня без искажения. На тиристоры ( с двухсторонней проводимостью или на каждый из двух встречно включенных тиристоров односторонней проводимости) в соответствии с реализуемым кодом управляющие импульсы в начало каждого полупериода с частотой питающей сети., Возможно и фазовое управление тиристорами для регулирования выходного напряжения, но при этом искажается Форма выходно- . го напряжения, По предлагаемому способу при высоких требованиях к точности регулирования и Форме выходного напряжения выгодно увеличение числа ячеек. С увеличением числа ячеек 40 число уровней резко возрастет.При увеличении числа ячеек схема усложняется, но зато воэможно неискаженное преобразование напряжения, высокая точность регулирования (ста билизации) напряжения. Иасса же регулятора при этом практически не увеличивается, КПД не ухудшается.Предлагаемый способ позволяет производить регулирование выходного 5 О напряжения не только с помощью бес-: контактных, но и с помощью контактных ключей, которые имеют малые потери.Известно, что динамические потери при управлении (при включении и выключении, т,е. при коммутации) тиристоров прямо пропорциональны частоте коммутации. В известных преобразова.телях эти потери при повышенной час ,тоте соизмеримы и даже вьпде остальных составляющих полных потерь, следовательно, КПД тиристорного блока основной части предлагаемого преобразователя может быть увеличен более, чем в 65 два раза. Учитывая,. что КПД силового трансформатора при любых значениях преобразуемых напряжений может достигать величины 0,95 + 0,99, то при относительно низких преобразуемых напряжениях КПД преобразователя зависит практически только от потерь в ключах.Таким образом, можно считать, что при низких преобразуемых напряжениях и достаточной высокой частоте синусоидального напряжения первичного источника КПД преобразователя по предлагаемому способу может быть увеличен вдвое только за счет коммутационных потерь, Этот вывод справедлив и.для ключей на транзисторах.Кроме коммутационных потерь возможно уменьшение также составляющей мощности потерь, обусловленной паде- .а нием напряжения от прямого тока. Эта составляющая потерь уменьшается в схемах на Фиг.2 и 4 ( в которых ключ 17 присоединен к ключу 20 со стороны суммирующей цепи) в режиме вольтовы" читания, а в,преобразователях без ключей 20 и 21 - во всех режимах, Так, при понижении выходного напряже" ния вдвое потери в последних преобразователях снижаются в 2 раза по сравнению с потерями в преобразователе на фиг.4 и в 3 раза по сравнению с потерями в преобразователе на фиг.З, а потери в преобразователе на фиг,4 по отношению к преобразователю на Фиг.З - в 1,5 раза, Потери уменьыаются также за счет исключения ключей четырехплечих мостов иэ суммирующей цепи.Повышение надежности и упрощение обусловлены в основном тремя Фактора" ми. В предлагаемом преобразователе отсутствуют устройства искусственной коммутации. Исключается воэможность появления сквозных токов во вспомогательных параллельных преобразователях, а также возможность режима короткого замыкания, возникающего в .известном преобразователе при срыве коммутации.При частоте напряжения источника питания, близкой к предельно допустимой частоте коммутации тиристоров, преобразованне по известному способу невозможно, но возможно по предлагаемому способу, т,е. при естественной коммутации тиристоров. Отсюда следует, что предлагаемый способ позволяет расширить рабочую область частот, Это выгодно, например, при регулировании синусоидального напряжения с частотой, регулируемой в широком диапазоне. Таким образом, использованиепредлагаемого способа преобразованиянапряжения выгодно отличает его отизвестных, так как увеличиваетсяКПД преобразования, уменьыается мас 1005247 1210 Формула изобретения 1. Способ дискретного преобраэования напряжения по.авт.св. 9 892610, отличающийся тем, что, с целью повышения КПЦ и надежности, а,также. упрощения реализующей его, аппаратуры и расширения области применения, выбор дополнительных уров 20 ней производят с частотой напряжения питающей сети, при этом ключи каждой преобразовательной ячейки переключают в режиме вольтовычитания встречно с напряжением первичного источника, а в режиме вольтодобавки - согласно" с ним при естественной коммутации тока ключей, а общее число уровней выходного напряжения О, выбирают в соответствии с выражением30 5=СЫе+ар) мЗ,из которых одну половину( получаютв противофазе с другой половиной,причем35(Д б+1)"-4б д р 1г где с 1 "О, 1., 2 -число, характеризую 4 О щее возможность одновременного ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряженийсогласно и (или) встречно между собой в.любых возможных сочетаниях;общее число подуровней в пределах каждого дополнительного уровня напряжения источника питания; общее число дополнительных уровней 55 напряжения; са и габариты, повышается надежность,упрощается основная часть преобразователя и расширяется рабочий диапазончастот, Предлагаемый способ особенноэффективен для регулирования относительно ниэких напряжений переменноготока, а также при широком диапазонерабочей частоты первичного источника,верхний предел которого близок к .предельно допустимой частоте работыключей.- число (равное 0 или1), характеризующее .воэможность вводав выходную цепь дополнительных уровней5 напряжения при выведенном основном,уровне напряжения;.1 м - общее число подуровней в пределах основного уровня напря жения;р-.р, 1, 2 - число, характериэующевозможность ввода ввыходную цепь дополнительных уровнейнапряжения встречноили согласно иливстречно и согласнос каждым из ю поду.ровней основногоуровня напряжения.2, Устройство для осуществленияспособа дискретного преобразованиянапряжения, содержащее инверторныеячейки на управляемых ключах с двухсторонней проводимостью,к выходнымвыводам каждой из которых йодключены зашунтированные полностью управляемыми ключами первичные обмотки трансформаторов, вторичные обмотки этихтрансформаторов соединены последовательно, образуя суммирующую цепь,которая одним своим концом образуетодин выходной вывод устройства, адругим концом подключена черезпоследовательный управляемый ключс двухсторонней проводимостью кпервому входному выводу устройстваи через второй шунтирующий управляемьЩключ - к второму его входному выводу,объединенному с другим выходным выводомустройства, к которому подключенытакже одни силовые входные выводывсех инверторных ячеек, причем однисиловые концы одних ключей этихячеек объединены и подключены к первому входному выводу устройства, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что сйловые концы других ключей инверторныхячеек также объединены между собойи подключены к точке соединенияпоследовательного и шунтирующегоуправляемых ключей с двухстороннейпроводимостью.Источники информации,принятые во внимание при экспеРтизе1. Авторское свидетельство СССР9 892610, кл. Н 02 И 5/12, 19,12.78г1005247 Составитель .МьщнкРедактор М.Петрова Техред М,Костик Корре знтк Зака иал ПППф Патент, г. Ужгород, ул. Проектн 921/74 ТиражВНИИПИ Государствпо делам изобре 13035, Москва, Ж85нного комитений и открРауыская дписноеа СССРийб., д.4