Способ преобразования переменного напряжения в постоянное

(51) 4 ЕНИЯ ЕЛЬСТВ ГОСУГАРСТНЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫ ПИСАНИЕ ИЗ д ВТОРСНОМУ СВ(71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) В.Д.Семенов(53) 621.314.632 (088.8)56) Розанов Ю,К. Основы силовой преобразовательной техники, М.: Энергия, 1979.Авторское свидетельство СССР В 754635, кл. С 05 Р 1/22, 1978. (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕННО- . ГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение в регуляторах и стабилизаторах напряжения. Целью является улучшение формы потребляемого иэ сети тока. Устр-во содержит инверторные (модулирующие) ячейки на транзисторных ключах с двухсторонней проводимостью, соединенные параллельно странсформаторами повышенной частоты27-29, Вторичные обмотки 36-38 трансформаторов 27-29 соединены последовательно и подключены к фазочувствительному выпрямителю 39. Блок управления инверторными ячейками соединенс выходом 102 блока 83 регулированияфазы модулирующего напряжейия. Синхронизированный генератор 87 стабильной амплитуды через согласующийтрансформатор 86 соединен с зажимами49, 50 входной сети. Переменное напряжение сети подвергают многозоннойимпульсной модуляции по синусоидальному закону с частотой напряжения сети, за счет чего ток, потребляемыйиз сети, становится синусоидальным.Регулирование модулирующего напряжения по амплитуде позволяет регулировать выходное постоянное напряжениебез ухудшения потребляемого иэ сетитока во всем диапазоне регулированиянапряжения. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.Ц сс)бретРциР с)тцс)с итГЯ к .)Ис ктрстс. хц 11 к Р В )лс:т 11)с ти к с 111) Г облм ирс - с) Г) р 1 з о е) л ц и я и е 1) е м сР и ес О 1 о 11 л и 1) я ж Р ц и я В 1 ОГтоЯццс)с" и к преобрлзГ)влтР,Ям пе -5 ременного напряжения в цоГ.тояццое, осупГествлггющггм такие способы, и может найти примецецие при получении постоянцого напряжения из переменногонапряжения сети и его регулировании 10в широких пределах, я также для компенсации реактивной мощности, когдатребуется получить малые массы и гя"барить) преобразователя, синусоидальный ток, потребляемый из сеги переменного напряжения при одновременном регулировании реактивной мощности практически от ицдуктивцого характера до емкостцого,Цель изобретеция - улу)гшецие формы потребляемого из сети тока.Ня фиг.1 представлены диаграммы,поясняющие формирование е)ьгходйого высококачественного напряжения с огибающей, равной прс)ггзведее)ию враг)с)1 ф 25хз 1 г)(гт + ср), где СА) - частота сети;ца фиг.2 - диаграммы, поясняющие Формирование потребляемого из сети тока,сдвинутого ца угол ЕГ) относительновходцого цапряжеция; ггя Фиг,З . - схема устройства для осуществления предлагаемого способа; цд фиг.4 - одиниз Вариантов выполнения блока последовательно нарастающих уровцей;на Фиг.5 - диаграммы, поясняющие работу блока последовательно нарастающих уровней, цд фиг.б - пример выполцеция фязосдвигающего блока; нафиг,7 - временные диаграммы, поясцяющиР рдботу фдзосдвигаюшего блока. 40Времецные диаграммы, поясняющиедяццый способ, приведены на фиг.1,где обозначены: 1 переменное напряжецие сети; 2 высокочастотное напряжение с огибающей сети; 3 управляющий или (модулирующий) синусоидальный сигнал, сдвинутый относительнонапряжения сети ца угол Сг(в сторону оставация); 4 управляющий (модулирующий) выпрямленньпг сигнал с таким50же Фазовым сдвигом сЕ); 5 поле разверток, обеспечивающее многозонную импульсцую модуляцию высокочастотногоцяпряжеция; б, 7 линейно-падающее илицс иггс)-нарастающее пилообразные ня 551 ря)СРция с оответственно; 8-13 зонырРС сировдсия, разнесенные по уровнс)ВГ игчи)цс Входного сигналя; 14-19 вык,к)цы, мс лулироваццые напряжения,клждс)Й и.с мсчгуссиГ)ун)ших ячРРк Г)1 с)1 - ветс тцук)щиР Й 1 зонам регулирования;20 огибдк)шдя (иервая гармоника) ВыХОДЦОГО ЦЯГРяжЕНИЯ, ОБЩЕГО ДГСЯ ВСЕХ модулирующих ячеек; 21 Высокочастотцое выходное напряжение, общее (суммарное) для всех модулируюших ячеек,Ня Фиг.2 обозначено: 22 алгоритмы работы вьгходного демодулятора (фазочувствительцого выпрямителя); 23 огибающая выходного напряжения демодулятора (первая гармоника); 24 выходное нефильтрованное напряжение демодулятора; 25 мгновенное значениевходного тока (нефильтрованное) и его огибающая (первая гармоника).Устройство для осуществлеция способа преобразования переменного напряжения в постоянное, представленное.на Фиг,З, содержит модулируюшие (инвертирующие) ячейки 26 с высокочас- тотными трансформаторами 27-29, первичные обмотки которых подключены к выходам 30 и 31, инверторных ячеек 26 нл ключах с двухсторонней проводимостью 32-35. Вторичные обмотки36-38 трансформаторов 27-29 соединены последовательно и подключены к Фазочувствительному выпрямителю 39ца управляемых ключах 40-43 с двухсторонней проводимостью. Выход фазочувствительного выпрямителя 39 подключен к дросселю 44 и конденсатору45, образующим фильтр с индуктивнойреакцией, подключенный к нагрузке 46,Силовые входы 47 и 48 инверторныхячеек 26 соединены параллельно и подключены к зажимам 49 и 50 сети переменцого тока.Управляющие входы 51-.56 транзисторных ключей 32-35 с двухсторонней проводимостью подсоединены к выходамфазосдвигающих блоков 57-62, входы 63-68 Фазосдвиглющих блоков 57-62 подсоединены к выходам задающего генератора 69, а входы 70-75 подключены к выходам блоков 76-78 последовательно нарастающих уровней, входы 79- 81 которых объединены, Управляющие цепи 82 ключей 40-43 (демодулятора)фазочувствительного выпрямителя 39 соединены с выходом задающего генератора 69. Блок 83 регулирования фазы модулирующего напряжения соединен входами 84 и 85 с зажимами 49 и 50 входной сети через согласуюпгий трансформатор 86 с синхронизированным генератором 87 стабильной лмп Ситуды,который, в свою очередь, соединен с /первьм фазосдвигающим узлом 88 на операционном усилителе 89, резисторах 90-92 и конденсаторе 93. Выход первого фазосдвигающего узла 88 сое-. динен с инвертирующим усилителем 94, соединенным с регулируемым фазосдвигающим узлом 95 на операционном усилителе 96, резисторах 97-99 и конденсаторе 100. В эту же последовательную цепь может быть включен выпрямитель 101, выход которого образует выход 102 блока 83 регулирования фазы модулирующего напряжения. Выход 15 102 соединен с объединенными входами 79-81 блоков 76-78 с последовательно нарастающими уровнями.Блок 76-78 последовательно нарастающих уровней, представленный на 20 фиг.4, содержит операционный усилитель 103 в режиме дифференциального включения, к инвертирующему входу которого подключен источник постоянного напряжения 104, помеченный дополни тельно У;, что говорит о том, что величина напряжения источников 104 выбирается различной для каждого из блоков 76-78. Выход усилителя 103 образует выход блока последовательно нарастающих уровней, а неинвертирующий вход, усилителя 103 - вход блока 76-78.На фиг.5 обозначено: 105 пилообразное напряжение, с которым сравни 35 вается входной сигнал Пблоков 76-78; 106-108 выходные сигналы блоков 76-78 с последовательно нарастающими уровнями (2 Пп, -Ц,О, 11, 211, ЗЮ) е40Фазосдвиговый блок 57-62, представленный на фиг.б, содержит генератор 109 пилообразного напряжения, синхронизирующий вход 63-68 которого соединен с задающим генератором 69, 45 компаратор 110, на выходе которого включен логический элемент 111 равнозначности, подключенный ко входу узла 112 развязки и усиления с прямым 113 и инверсным 114 выходами,На фиг.7 обозначено: 115 напряжение на выходе задающего генератора 69; 116 выходной сигнал генератора 109 пилообразного напряжения; 117 управляющий сигнал на входах 70-75;55 118 напряжение на выходе компаратора 110; 119 напряжение ыа выходе логического элемента 111 равнозначности; 120, 121 напряжение на прямом 113 и инверсном 114 входах узла 112 развязки и усиления; е( угол сдвига фазы напряжений на выходах 113, 114, относительно фазы импульсов 115 задающего генератора, в случае, если ге- . нератор 109 вырабатывает линейно-на" растающее пилообразное напряжение;угол сдвига фазы напряжения на выходах 113, 114, относительно фазы импульсов 115 задающего генератора 69, в случае, если генератор 109 вырабатывает линейно-спадающее пилообразноенапряжение.Предлагаемый способ преобразования переменного напряжения в постоянное заключается в следующем,Переменное напряжение 1 (фиг. 1)сети П,(Т) = 0 з 1 пы преобразуетсяв напряжение 2 - П 2, (Т) промежуточной частоты с помощью каждой из инверторных ячеек 26 (фиг.3). Это преобразование можно записать произведениемнапряжения П, на некоторую модулирующую кошутационную функцию К (од),которая периодически принимает значения + 1 с периодом повторения 2 а == ыТ , где Т- период повышеннойчастоты, ьп -круговая повышенная частота. Тогда получим где 1 = 1,2Б;И - число инверторных ячеек.Полученное напряжение П 2;(Г) трансформируют с помощью трансформаторов повышенной частоты 27-29 и подвергают многозонной импульсной модуляции путем подачи синусоидального напряжения 3 на объединенные входы 79-81 блоков 76-78 с последовательно нарастающими уровнями. Синусоидальное напряжение 3, сдвинутое по фазе относительно напряжения сети 1, подвергает напряжение 0 2;(с) каждой из инверторных ячеек широтно-импульсной модуляции, так как показано на фиг.1, напряжение 14-19.При этом, для суммарного выходного напряжения 21 - Пвсех вторичных обмоток 36-38, трансформаторов 27- 29 можно записатьнП 3- 1 2(г)р)1 с 1Цп й,(и) зпюе ,(т) = (2)й1 Атна(о)з 2 пф "-, - Ум 1е1" 1(3) 20 1 в п(.й 1 + ( ) 40 где( (г;) - модулирующая функция вкаждой из инверторныхячеек 26,Как следует из фиг.1, модулирующая функция 3 для всех инверторныхячеек синусоидальнаи и отстает пофазе от напряжения сети 1 на угол Ч,т,е. Тогда выражение 2 можно записатьв виде1531)п 1 Е а(гон 1) В 1 ПЮЙ"4, в г гг ( д" + г ) 1) 11 з Е ь (1 п)сов Ч - сов(2 цй +гР )3. Выражение (3) показывает, что суммарное напряжение 21 всех инверторных ячеек 26 представляет собой высокочастотное напряжение с огибающей 20, представляющей собой функцию 25 П , сов Ч- Б , сов(2 ь + Ч )3Естественно, что это справедливо лишь для первой гармоники огибающей. Напряжение 21 выпрямляется (демодулируется)фазочувствительнымвыпрямителем (де модулятором), что математически можно выразить произведением напряжения 21 (выражение 3) на модулирующую функцию промежуточной частоты Е (ы 1)Тогда для выпрямленного (демодулированного) напряжения 24 - Б справедливо выражение Б,г(й) = 1 Б , сов гг - У 1"сов(2 ыГ + МЯ. Е(г.11 С),которое преобразуется к виду 04(С) = УсовЧ - Осов(2 кй+Ч) ф(4) потому, что модулирующая функцияЕ(ггИ обладает свойством Р (ьС)-"1Из выражения (4) видно, что напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя (демодулятора) 39 содер 0жит постоянную составляющую 0 сов Ч .и напряжение второй гармоники 0 сов (2 ые + Ч),Выходное напряжение 23 демодулятора 39 фильтруется дросселем 44 и конденсатором 45 так, что в дросселе 44 протекает постоянный ток 1, которЪгй с помощью управляемых ключей 40-43 демодулятора 39 преобразуется в токпромежуточной частоты который протекает через вторичные обмотки 36-38 трансформаторов 27-29, Поскольку инверторные ячейки 26 включены параллельно, а каждая из ячеек осуществляет модуляцию длительности импульсов высокочастотного напряжения в соответствии с видом напряжений 14-19 и соответствующей модулирующей функцией у;(г.) Е(м) (выражение 2), то для потребляемого из сети тока 25 будет справедливо (по первой гармонике) выражениеН1 н,1 (1.) =, 1 н Е(иУ) гг 1,; (с)ИЕЬе) = 1, ЕЬе),С у;й) (6) так как Е(ь 1 О = 1, а суммарное модулирующее воздействие 3 (фиг.1)Н, г(с) = вхп(ы + д),11 Выражение 6 показывает, что по отношению к току 1 дросселя 44 демодулятор 39 выступает с роли демодулятора, который преобразует постоянный ток 1 н в ток повышенной частоты, который протекает по вторичным обмоткам 36-38 трансформаторов 27-29. Инверторные ячейки 26 при .этом выступают в роли демодуляторов тока, которые преобразуют высокочастотный ток,протекающий по обмоткам вторичным 36-38, в ток 25, потребляемый из сети.Форма тока 25 показывает, что он ступенчато-синусоидальный и очень близок к синусоиде, которая представляет собой первую гармонику входного тока. Кроме того, ток 25 сдвинут по фазе относительно входного напряжения 1 сети на этот же угол что и входное модулирующее напряжение 3.Регулирование выходного напряжения достигается регулированием фазы модулирующего напряжения 3, которое осуществляется переменным резистором 98, При этом, синусоидальность формы модулирующего напряжения 3 обеспечивает практически синусоидальный входной ток 25 с углом сдвига211 п ,- Пп,ПвПьх7 ь Пвх7 ьо П ьххц П вххьа П вх 50 П ьых П вых П вых о вых Пвы Овых Э+ Пп + 2 Пп + 311,Смещение вых тельно входного вательно нараст одного сигнала относина величину последоающих уровней позвофазы , равным углу сдвига фазы модулирующего возпецствия. Число ступеней во входном токе пропорциональное числу работающих инверторов, с5 уменьшением амплитуды модулирующего воздействия уменьшается и при амплитуде модулирующего воздействия, равной амплитуде пилообразного напряжения 6 и 7, синусоидальность вход ного тока обеспечивается широтно-импульсной модуляцией тока нагрузки.Устройство (фиг.З), отражающее пример реализации, работает следующим образом. 15Переменное напряжение 1 сети (фиг.1) через входные зажимы 49 и 50 поступает на инверторные ячейки 26, включенные параллельно, Каждая из ячеек 26, выполненная на управляемых 20 транзисторных ключах 32-35, алгоритм работы которых определяется фаэосдвигающими блоками 57-62 и блоками 76- 78 с последовательно нарастающими уровнями. 25Рассмотрим, в первую очередь, работу блоков 76-78 по фиг,4; Модулирующее напряжение П в (фиг.4) поступает на вход блоков 76-78, которые представляют собой вычитающие усилители так, что напряжение на выходах будет равно П вы= П в. - Пп, где П, пороговое напряжение, уровень которого задается источником напряжения 104. Пороговые напряжения блоков 76- 78 выбраны следующим образом:20, П,= Пп; Ув= О, где Пп - амплитуда пилообразного развертывающего напряжения 6 и 7. Так как на фиг.1 приведены диаграммы для шести инвер торных ячеек 26, что можно еще условно ввести блоки 76 аа с последовательно нарастающими уровнями и задать им соответственно следующие пороговые напРяжения: Пв - п Пава 4520 п, У в = -ЗП , Тогда выходные напряжения токов 76-78 и 76 аа с последовательно нарастающими уровнями будут иметь вид: ляет достичь тогп, что выхопные сигналы блоков 76-78 и 76 аа вступают в сравцецие с пилообразным цапряжецием 105 (фиг.5) последовательно, по очереди, как показано ца фиг.5. Так, при управляющем сигнале, изменяющемся в пределах О-Пп, сравнение выходного сигнала 106 с пилой 105 будет происходить у блока, пороговый уро - вень напряжения которого равен нулю. При изменении входного модулирующего сигнала в пределах от Пдо 2 Пп сравнение его с пилой 105 будет происходить у блока, пороговый уровень напряжения которого равен Пп, и так далее, При дальнейшем увеличении входного мопулирующего сигнала в работу вступит блок с пороговым уровнем напряжения 2 П ИПп, Блоки с напряже-иниями, пороговый уровень которых отрицателен, будут вступать в работу лишь при отрицательных значениях входного сигнала.Выходные напряжения блоков 76-78, смещенные пороговыми уровнями П;, поступают на управляющие входы 70-75 фаэосдвигающих блоков 57-62, реализация которых приведена на фиг.6, Причем, у блоков 57, 59 и 61 используется генератор 109 линейно-нарастающего напряжения 7, а у блоков 58, 60 и 62 - генератор линейцо-падающего.го напряжения 6. Поэтому при возрастании входного управляющего напряжения П хОвх угол Ы сдвига фаз (фиг,7) выходного сигнала 119, 120 на выходах 113, 114 в блоках 57, 59, 61 изменяется в сторону отставания от напряжения 115 задающего генератора 69, Л в блоках 58, 60, 62 - в сторону опережения (угол р сдвига фазы сигнала 122 на фиг.7). Таким образом, как только выходной сигнал блоков 76-78 выйдет в зону сравнения с пилообразным напряжением 6 и 7, углы Ы и р сдвига фаз сигналов с фазосдвигающих блоков 57-62 изменяются и изменят соответственно алгоритмы замыкания ключей 32-35 соответствующих инверторных ячеек 26. Каждая из ячеек 26 реализует три режима работы, Первый режим; входное модулирующее (управляющее) напряжение по уровню ниже уровня пилообразного напряжения. Ключи 32-35 инвертора 26 замыкаются по циклу 33, 34-32, 35 (рядом стоящие, через запятую номера ьлючей обозначают их одновременное амкнутое состояние наиолуиериоде повьпцеиной частоты, а дефис - смену состояния ключей), Выходное напряжение соответствующего инвертора 26 в этом случае находится в противофазе с высокочастотным напряжением 2. Второй режим: входное модулирующее напряжение по уровню равно половине амплитуды пилообразного напряжения 6 и 7, Ключи 32-35 замыкаются 10 по циклу 32, 33-34, 35, Первичная обмотка соответствующего трансформатора (из 27-29) закорочена, Напряжение на соответствующей выходной обмотке трансформатора (из 36-38) будет равно нулю. Ток от сети этим инвертором не будет потребляться, Третий режим: входное модулирующее напряжение по уровню больше амплитуды пилообразных напряжений 6 и 7. Ключи соответствую щего инвертора 26 замыкаются по циклу 32, 35-33, 34. Выходное напряжение соответствующего инвертора 26 совпадает по фазе с высокочастотным,напряжением 2. Иодулирующее напряжение 3 25 формируется блоком 83 регулирования фазы, который работает следующим образом. Напряжение сети. с зажимов 49 и 50 через согласующий трансформатор 86, синхронизированный генератор 87 стабильной амплитуды поступает на вход первого Фазосдвигающего узла 88,о который сдвигает Фазу на 90 , так как выходное напряжение такого звена определяется выражением:351 Ю0 вы= Цв К е 2( усгде= агс 18 -----42,2 сг40К - коэффициент пропорциональности,Величина сопротивления 92 или емкости 93 выбрана таким образом, чтоо90 , Затем напряжение инвертируется инвертирующим усилителем 94 иподается на фазосдвигающий узел 95,величина сопротивления 98 которогоизменяется в пределах 0 - со, приэтом фаза изменяется в пределах 0-180,Таким образом, относительно Фазы 90,выходное напряжение усилителя 96 изменяется на 1 90 . Это напряжение подается на объединенные входы 79-81блоков 76-78 с последовательно нарастающим уровнями и подвергает напряжение инверторных ячеек 26 модуляции.Суммарное напряжение 24 всех ячеек26 подвергается демодуляции демодулятором 39, в качестве котороо можноиспользовать реверсинный выпрямительна полностью управляемых ключах 32-35с двухсторонней проводимостью, кото"рые управляются по алгоритму 22, так,что напряжение на выходе выпрямителя39 будет иметь вид 24, а ток по входной цепи - 25. Иэ фиг,2 видно, чтоток 25 во входной цепи практическисинусоидальный, а число ступенек тока определяется числом инверторныхячеек. Лля увеличения числа ступенейнапряжение с выхода операционногоусилителя 96 может быть выпрямленовыпрямителем 101 и, в этом случаемодулирующее напряжение будет иметьвид 4 на фиг.1. Ток 25 во входной цепи практически синусоидальный припостоянном токе нагрузки, а регулирование выходного напряжения осуществляется изменением фазы модулирующе-го сигнала относительно фазы напряжения сети практически без искажениявходного тока во всем диапазоне изменения,Таким образом, предлагаемый способ преобразования переменного напряжения в постоянное позволяет по сравнению с известным улучшить форму потребляемого из сети тока при работена выпрямитель с активно-индуктивнойнагрузкой,Кроме того, предлагаемый способ преобразования позволяет расширить функциональные воэможности преобразователя за счет регулирования коэффициента мощности преобразователя индуктивного до емкостного и возможности осуществления режима удвоения частоты,Формула изобретения1. Способ преобразования переменного напряжения в постоянное путем преобразования переменного напряжения сети в напряжение промежуточной частоты с последующими трансформацией, регулированием,выпрямлениеми фильтрацией, о т л и ч а ю щ и .й с я тем, что, с целью улучшения фцрмы потребляемого из сети тока, упомянутое преобразование в напряжение промежуточной частоты осуществляют на основе использования многозонной импульсной модуляции с управляющим сигналом синусоидальной формы с частотой, равнойчастоте сети, и с регулируемой амплитудой, и заданной фазой,2, Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения регулирования входного коэффициента мощности, фазу 5упомянутого управляющего сигнала обеспечивают изменяемой.оставитель Г,Мццакехред д,Олийнык Корректор М.М Редакто гляцик ишине Заказ 1418 5 сное д. 4/5 а Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул, Проектна Тираж 665 НИИПИ Государственного ком по делам изобретений и о 35, Москва, Ж, Раушская