Однофазный преобразователь с многофазной шим

(я)5 Н 02 М 7/4 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР 1 д оп)3 НМн ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВТОР У СВИДЕТЕЛ титут им. етический В.Михеев е транзи ргоиэдат 8, 1973. ВАТЕЛЬ у)апайапай(54) ОДНОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗС МНОГОФАЗНОЙ ШИМ Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания различного назначения, преимущественно для преобразования постоянного напряжения в высокочастотное, квазисинусоидальное.Целью изобретения являются повышение качества выходного напряжения за счет снижения его искажений, расширение области использования за счет отказа от применения специального источника со средней точкой, а также расширение функциональных воэможностей, за счет обеспечения воэможности широтно-импульсного регулирования выходного напряжения,Для достижения поставленной цели, предлагаемый однофазный преобразователь с многофазной ШИМ, как и известный, содержит в основных пар последовательно(57) Преобразователь содержит а основных пар ключевых элементов (3, 8) и электромагнитный узел, включающий т расположенных на магнитопроводах(20 - 22) первичных обмоток (17-19), соединенных в "звезду". В состав блока управления преобразователем входят задатчик частоты и многофазный модулятор ширины импульсов, Преобразователь снабжен дополнительной парой последовательно включенных между шинами питания ключевых элементов (1, 2), Магнитопроводы (20-22) выполнены магнитонесвязанными и снабженными вторичными обмотками (23 - 25), 1 з,п. ф-лы. 4 ил. включенных между шинами питания ключевых элементов, зашунтированных обратными диодами, Электромагнитный узел преобразователя включает П 1 расположенных на магнитопроводах первичных обмоток, соединенных в щ-фазную "звезду" и подключенных своими концами к точкам соединения упомянутых основных пар ключевых элементов. Блок управления преобразователем включает в себя задатчик выходной частоты преобразователя и последовательно связанные между собой задатчик несущей или кратной ей частоты и многофазный модулятор ширины импульсов, подключенный парафазными выходами ф 1 иф к соответствующим входам вышеупомянутых ключевых элементов. Упомянутые сигналы последовательно сдвинуты между собой на несущей или кратной ей частоте ШИМ на угол 2 д /т, где гп = 2. В5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 отличие от известного, предложенный преобразователь снабжен дополнительной парой последовательно включенных между шинами питания ключевых элементов, эашунтированных обратными диодами, точка соединения которых подключена к нулевой точке упомянутой "звезды" первичных обмоток. Магнитопроводы выполнены магнитонесвяэанными иснабжены последовательно соединенными вторичными обмотками, свободные концы которых подключены к выходным выводам преобразователя. Задатчик выходной частоты выполнен с парафаэными выходами 01, 01, связанными с управляющими входами соответствующих ключевых элементов дополнительной пары.Вариант выполнения вышеупомянутого многофазного модулятора ширины импульсов содержит в генераторов пилообразного напряжения и компараторов, два делителя частоты, два регистра сдвига на угол 2 й/гп, гп формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 й /а на несущей или кратной ей частоте, узел синхронизации, содержащий в элементов 2 И и элемент т ИЛИ, трехфазный регистр сдвига сигнала выходной частоты и а формирователей противотактных сигналов ф и ф, выходные выводы которых использованы как выходы многофазного модулятора ширины импульсов. к входу которого подключены входы делителей частоты, выходами подсоединенные к входам двух упомянутых регистров сдвига на угол 2 л/а, соответствующие выходы первого из которых подключены к входам гл генераторов пилообразного напряжения и щ формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов. Остальные их входы подсоединены к соответствующим выходам второго регистра сдвига на угол 2 д/в. Регистры сдвига выполнены в виде двух формирователей узких импульсов, выходами подключенных к входам элемента 2 ИЯИ, выходом соединенного с тактовым входом ВЗТ триггера с парафазными выходами Еь Гь один из установочных входов каждого из которых соединен с выходом узла синхронизации, в качестве которого использован выход упомянутого элемента е ИЛИ, входы которого соединены с выходами в элементов 2 И, своими входами образующими входы узла синхронизации, подключенные соответственно к входу одного ив в упомянутых элементов 2 ИЛИ. Выход узла синхронизации подключен также к входу трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты, первый канал которого использован как вышеупомянутый эадатчик выходной частоты преобразователя, Выходы каждого иэ в генераторов пилообразного напряжения подключены к одному из входов компараторов с парафазными выходами Яь Ь, другие входы которых объединены и подключены к источнику управляющего сигнала. Выходы Яь Ь компараторов подключены к соответствующим входам в формирователей противотактных сигналов ф, ф, к другим входам которых подключены выходы 01, 02, 0 з упомянутого трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты и выходы Гь Еь ЙЗТриггеров. Каждый из а формирователей противотактных сигналов ф, ф выполнен обеспечивающим внутренние связи между указанными элементами и формирование этих сигналов в соответствии с логическим выражением/ =- 02 с ь + 0 з г а + 01 а,где=. 1,2 гл,Целью изобретения является повышение качества выходного напряжения и расширение области использования за счет обеспечения согласования уровней входного и выходного напряжений, а также обеспечения широтно-импульсного регулирования выходного напряжения,На фиг,1 - принципиальная схема силовой части преобразователя (пример реализации при п 1 =- 3); на фиг.2 - временные диаграммы сигналов 01, ф, Ъ, Ф 3 и фор ма выходного напряжения преобразователя при различных значениях угла регулирования:а=0(а) и аФ 0(а, б); на фиг.З - принципиальная схема устройства для управления преобразователем; на фиг,4 - временные диаграммы, поясняющие принцип формирования сигналов управления ключевыми элементами преобразователя,Преобразователь, принципиальная схема силовой части которого представлена на фиг.1, содержит гп+1 полумост силовых транзисторных ключей 1-8 (на фиг.1 а = 3), эашунтированных диодами 9-16 обратного тока. К точкам соединения т полумостов транзисторных ключей 3-8 подключены т первичных обмоток 17-19 а двухобмоточных трансформаторов 20-22. Свободные концы первичных обмоток 17 - 19 всех трансформаторов объединены и подключены к точке соединения дополнительных транзисторных ключей 1-2. Вторичные обмотки20-25 соединены последовательно, согласно и образуют свободными концами выходные выводы преобразователя,Принципиальная схема блока управления преобразователем приведена на фиг,З.Он содержит задатчик частоты 26, подключенный к входу многофаэного модулятора 27 ширины импульсов. Варианты выполнения многофазного модулятора 27 ширины импульсов могут быть различны, но во всех случаях он должен обеспечивать формирование в пар противотактных сигналов управления ф иф, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 л /гп (где пт2) на несущей или кратной ей частоте модуляции,Представленный на фиг.З вариант многофазного модулятора 27 ширины импульсов, при формировании сигналов управления ф и ф ключами 3-8 преобразователя реализует принцип квазиоднополосной модуляции. В его состав входят два делителя частоты 28, 29, входы которых объединены и образуют вход многофазного модулятора 27 ширины импульсов, Выходы делителей частоты 28, 29 подключены по входам двух регистров сдвига 30, 31 на угол 2 д /а (для случая гп - 3 этот угол равен 2 л/3, при этом регистры сдвига 30, 31 могут быть выполнены по кольцевой схеме на трех 4-К триггерах 32 - 34), Выходы ц, 42, оз и ц 1, цг, оз регистров сдвига 30, 31 подключены к входам а формирователей 35-37 модулированных по длительности импульсных сигналов, сдвинутых между собой на угол 2 л/е на несущей частоте. Каждый из них выполнен в виде пары идентичных формирователей 38, 39 (40-43) узких импульсов, выходами подключенных к входам элемента 2 ИЛИ 44 (45, 46). Выход последнего подключен к тактовому входу ВЯТ-триггера 47 (48, 49). Формирователи 38-43 узких импульсов могут быть выполнены, например, в виде последовательно соединенных элементов НЕ 50 и 2 И 5. Выход элемента НЕ 50 через конденсатор 52 подключен также к общей точке преобразователя, а второй вход элемента 2 И 51 подключен к входу элемента НЕ 50.Для обеспечения синфазности работы отдельных узлов многофазного модулятора 27 ширины импульсов, он снабжен узлом синхронизации 53. В его состав входят в элементов 2 И 54-56, входами подключенных по входам элементов 2 ИЛИ 44 - 46, а выходами - к входам элемента ИЛИ 57. Одноименные установочные й ивходы ВЗТ- триггеров 47 - 49 объединены и подключены 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 к общей точке преобразователя и к выходу узла синхронизации 53, образованному выходом элемента т ИЛИ 57. Выход узла синхронизации 53 подключен также к входу трехканального регистра 58 сдвига сигналов выходной частоты, выполненного на трех 3 - К-триггерах 59-61, включенных по пересчетной схеме с перекрестной связью, аналогично регистрам сдвига 30, 31. Выходы одного иэ последних (обычно, более низкочастотного - на фиг.З это регистр сдвига 31) подключают также к входам т цепочек из последовательно соединенных генератора пилообразного напряжения 62 - 64 и компаратора 65-67, вторые входы которых объединяют и подключают к источнику управляющего сигнала О ц, Компараторы 65- 67 выполнены с парафаэными выходами Зь Зь которые вместе с парафазными выходами Еь Р формирователей 35-37 модулированных сигналов, сдвинутых между собой на угол 2 л /а на несущей частоте и выходами 01, 02, Оз трехканального регистра 58 сдвига сигналов выходной частоты, подключены к соответствующим входам в формирователей 68-70 противотактных сигналов ф, ф . Связи между входами упомянутых формирователей 68-70 и их выходами обеспечивают формирование сигналов ф, ф в соответствии с логическим выражением ф, = 02 РЬ+ 0 зРЬ+ ОЬ,где 1= 1,2,в,Для реализации этого логического выражения может быть использовано два элемента 3 И 71, 72 (73 - 76). один элемент 2 И 77 (78, 79) и один элемент 3 ИЛИ 80 (81, 82), а для получения сигнала ф - элемент НЕ 83 (84, 85). Выходы И, ф, ф, элементов 3 ИЛИ 80 - 82, ф 1 . ф, ф элементов НЕ 83- 85, а также выходы 01, 0 триггера 59 являются выходами блока управления преобразователем, которые связаны (через блок усиления и гальванической развязки уп-. равляющих сигналов, на фиг.1, 3 не показан) с соответствующими уп равляющими входами силовых транзисторных ключей 1 - 8,Принцип действия преобразователя дополнительно поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.2. Транзисторы 1, 2 полумоста преобразователя переключаются по простейшему 180-градусному алгоритму на выходной частоте (см. Ом (01) на фиг.2). Остальные транзисторы 3-8 переключаются в противотакте, с коэффициентом заполнения, модулируемым навыходной частоте по определенному закону (синусоидальному, трапецеидальному и пр,). Импульсные управляющие сигналы ф, ф, ф,при этом должны быть сформированы совпадающими по фазе на выход 5 ной частоте и сдвинутыми на угол 2 л/в на несущей частоте модуляции (см. 083-085 (ф - ф) на фиг,2 а). В результате, напряжения на первичных обмотках 17 - 19 трансформаторов 20 - 22 будут иметь форму сигнала с однополярной ШИМ по выбранному закону, Основные гармоники этих напряжений совпадают по фазе, а некоторые из высших гармоник находятся в противофазе и взаимно компенсируются при последовательном согласном соединении вторичных обмоток 23-25. Для обеспечения широтно- импульсного регулирования (ШИР) выходного напряжения, сигналы ф, ф 2 О дополнительно модулируют по линейному закону, причем введение регулировочных пауз и импульсов осуществляют на несущей частоте модуляции со сдвигом на угол 2 к/а на несущей или кратной ей частоте (см. эа штрихованные зоны в сигналах Оаз(ф - ф на фиг.2 а). В зависимости от глубины модуляции (относительной величины регулировочной паузы а) форма выходного напряжения изменяется. Так при а л/г, выходное напряжение имеет а ступечей (см. фиг.2 а) при л/т а 2 л/;и - (гл - 1) ступень (см. фиг.2 б) и т,д. При (п 11) л/гпо с-; вы 35 ходное напряжение приобретает одноступенчатую форму с нулевой паузой.На примере устройства для управления преобразователем приведенного на фиг.З, поясним использование принципа квазиоднополосной модуляции для формирования сигналов управления ф и ф с ШИМ по тра 50 55 пецеидальному закону и многофазного (или многозонного) ШИР. Высокочастотный импульсный сигнал с выхода задатчика частоты 26 поступает на входы двух делителей частоты 28, 29, коэффициенты деления 828, Й 2 д которых выбирают таким образом, чтобы их отношение представлялось отношением двух соседних членов натурального ряда ЧИСЕЛ Й 28/Й 2 д- а/а ч, ГдЕ а - ЛЮбОЕ целое число (например,.на фиг.4, а - 3). Регистры сдвига 30, 31, на тактовые входы которых поступают разночастотные последовательности импульсов 028, 02 д, осуществляют их разделение по е каналам, причем каждая последовательность полученных импульсов р 1, ор, цз и ср, 42, цз сдвинута относительно других на угол 2 л /п (см,031" (ц 1, цг, цз ) на фиг.4) на своей частоте, После выделения импульсов Оза 04 з синхронных, например, с передним фронтом упомянутых последовательностей Озо, Оз 1 их складывают попарно с помощью элементов 2 ИЛИ 44 - 46 и подают на тактовые входы ЙЯТ-триггеров 47-49, которые изменяют свое состояние с приходом каждого очередного импульса (см. 047 (Г 1)- 04 д (Ез) на фиг,4), Для придания определенности состоянию триггеров 47 - 49, в качестве которых использованы, например, триггеры типа ВЯТ, один из установочных входов(на фиг,3 5-вход) подключен к выходу узла синхронизации 53, Последний осуществляет попарное сравнение последовательностей разночастотных узких импульсов Озаз и выделение последовательности 087, возникающей при совпадении импульсов только в одном иэ в формирователей 35 - 37. Частота последовательности импульсов 057 в шесть раз выше выходной частоты преобразователя. В результате, каждый иэ упомянутых ВЯТ-триггеров 47-49 будет выставлен в определенное состояние шесть раз за период, что дополнительно повышает надежность работы устройства, Эта же последовательность импульсов 057, поданная на вход трехканального регистра 38, обеспечивает гротивотактные переключения трех 3 - К-триггеров 59 - 61 с выходной часто 1 сй преобразования, Сдвиг по фазе между парафазными импульсами 01, 01, , йз, Оз составляет 60 эл.градусов (см. 05 д ,Я 1)-061(С.з) на фиг,4). Как уже указывалось, дополнительные ключи 1 - 2 переключаются в противофазе, с частотой равной выходной частоте преобразователи. Для этого, на управляющие входы ключей 1, 2 подают сигналы 01, 01 (после соответствующего усиления и необходимой гальванической развязки). Сигналы Озо (или Оз 1 - в зависи мости от тога, на какой частоте осуществляется ШИР выходного напряжения) поступают также на входы генераторов пилообразного напряжения 62-64, обеспечивающих формирование Ф последовательностей пилообразных сигналов, имеющих одинаковую амплитуду и сдвинутых между собой на угол 2 к/т на несущей частоте модуляции. Эти сигналы поступают на один иэ входов соответствующего компаратора 65-67, на вторые входы которых подают управляющий сигнал О ц обеспечивающий изменение относительной длительности сигналов 81-Яз и инверсных им сигналов 81-Зз от О до 1.Формирование сигналов у"1 Й 41 ф 1, 2 ф управления ключами 3-8 производится с помощью формирователей 68 - 70, Варианты их исполнения могут быть различны, однако связи между их входами и выходами должны быть такими, чтобы получить последовательности управляющих сигналов, определяемые выражениями10ф = ОвЕ 131+ ОзЕ 151+ 0151; на выходе элемента 3 ИЛИ 80: ф 3 = 02 Е 131+ ОзЕ 131+ 0131 (см, Ово нафиг.4)на выходе элемента КЕ 83: сигнал ф 1;на выходе элемента 3 ИЛИ 81:ф =- 02 Е 252+ ОзЕ 2 Б 2 + 015220на выходе элемента НЕ 84: сигнал ф 2;на выходе элемента 3 ИЛИ 82:ф 3 = 02 ЕзЯз+ ОЭЕ 383+ 0133на выходе элемента НЕ 85: сигнал уз,Некоторые из промежуточных последовательностей импульсов, полученных при 30формиров;.,нии сигнала ф)1 (Ово) приведенына фиг,4 (см. 071, 072, И 4,Разрабо 1 анный преобразователь с блоком управления позволяет осуществлять такназываемую многофазную широтно-импульсную модуляцию и многофазное широтно-импульсное регулирование выходногонапряжения, Особым образом выполненный вариант блока управления и силовойчасти и реобразона геля (последовательноесоединение вторичных обмоток 23-25трансформаторов 20-22), обеспечиваютвзаимную компенсацию (устранение) определенных массивов высших гармоник,Таким образом, преобразователь обеспечивает преобразование постоянного напряжения в однофазноеквазисинусоидальное напряжение, обладающее улучшенным спектральным составом,При повышенном значении частоты выходного напряжения, преобразователь становится особенно эффективным иэ-за существенного уменьшения массо-габарит ных показателей, за счет уменьшения соответствующих показателей его выходного фильтра. Формула изобретения 1. Однофазный преобразователь с многофаэной ШИМ, содержащий гп основных пар последова 1 ельно включенных между шинами питания ключевых элементов, зашунтированных обратными диодами, и электромагнитный узел, включающий а расположенных на магнитопроводах первичных обмоток, соединенных в в-фазную звезду и подключенных своими концами к точкам соединения упомянутых основных пар ключевых элементов, блок управления, включающий в себя задатчик выходной частоты преобразователя и последовательно связанные между собой задатчик несущей или кра гной ей частоты и многофазный модулятор ширины импульсов, подключенный парафазными выходами ф, ф к соответствующим входам упомянутых ключевых элементов, причем сигналы ф, ф последова 1 ельно сдвинуты между собой на несущей или кратной ей частоте ШИМ на угол 2:. ш, где гп 2, о т л и ч а ю щ и й с я тем,о, с цегью повышения качества выхоъогапояжения преобразователя за счет с 1:;ленья его искажений и расширения ф,. - :;.аипнольных возможностей за счет зле: ния соп асования уровней входного и вь:ходного напряжения, он снабжен дополнительной парой последовательно вк о е: ны:; между шинами питания ключе- в:, ломе "гав. заш .нтированных обратн ыми ц, с.ьми, гочка соединения которых подключена к нулевой точке упомянутой звезлч п;рвичных обмоток, упомянутые м; гь 11, опроноды выполнены магнитонесвязанп.ли и снабжено вторичными обмотками, которые между собой последовательно соединены и свободными концами подключен; к выходным выводам преобразователя зада 1 чик выходной часготы блока управ еня выполнен с парафазными выход,Г, Г,;, связанными с управляющими вход,л,и соответствующих ключевых элемен гоь, - ,сг;олнительной пары,2 П.кобразователь по п.1. от л и ч а ющ ": ; с - . тем, чго с целью расширения фун:;ональньх возможностей за счет обегпчеы широтно-импульсного регулирования выходного напряжения, упомянутый многофазный модулятор ширины импульсов выполнен содержащим в генераторов пилсобрззного напряжения и компараторов. дна дели;еля частоты, два ре, и;Рг. сдвига на .;ол 2 л/в, в формирователь", ."модулированных по длительности имоу ьсных сигналов, последовательносдвинутых между собой ка угол 2 л /гп на несущей или кратной ей частоте, узел синхронизации, содержащий гп элементов 2 И и элемент в ИЛИ, трехфазный регистр сдвига сигнала выходной частоты и гп формирова телей противотактных сигналов ф, ф выходные выводы которых использованы как выходы многофазного модулятора ширины импульсов, к входу которого подключены входы делителей частоты, выходами подсоединенные к входам двух упомянутых регистровв сдвига на угол 2 л /п 1, соответствующие выходы первого из которых подключены к входам гп генераторов пилообразного напряжения и гп формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 Фгп на несущей или кратной ей частоте, остальными входами подсоединенных к соответствующим выходам второго регистра сдвига на угол 2 ж /а, и выполненных в виде двух формирователей узких импульсов, выходами подключенных к входам элемента 2 ИЛИ, выход которого соединен с тактовым входом КЯТ-триггеров с парафаэными выходами Е 1, Еь один из установочных входов каждого иэ которых соединен с выхсдзм узла синхронизации, в качестве которог. использован выход упомянугсо элемента гп ИЛИ, входы которого соединены с выходами п элементов 2 И, своими входами образующими входы узла синхронизации, подключенные соответственно к входу одного иэ п 1 упомянутых элементов 2 ИЛИ, выход узла синхронизации подключен также к входу трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты, первый канал которого использован как упомянутый эадатчик выходной частоты преобразователя, выходы каждого из упомянутых в генераторов пилообразного напряжения подключены к одному иэ входов гп компараторов с парафазными выходами Яь Яь другие входы которых объединены и подключены к источнику управляющего сигнала, а выходы 31, 51, 5 г. Я подключены к соответствующим входам п 1 формирователей противотактных сигналов ф,ф, к другим входам которых 2 О подключены выходы 01, 02, 0 з трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты и выходы Гч, Е 1 ВЯТ-триггеров, причем каждый из гп формирователей противотактных сигналов 1,1, 1 р выполнен обеспечивающим внутренние связи между указанными элементами и формирование этих сигналов в соответствии с логическим выражением Я = 1218 + 03 Г 15 + 0131,30где = 1,2,. п 1,1823113 Угв 9 з г Г.Мыцыргентал оставителехред М,М орректор М,Самборская эктор акаэ 218 ВНИИ Государственного комитета по 113035, Москва, Жроизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 39 Ч ОЧЗ Ом ЧО чг ЧЧ 98 (2 Ыюз(з) 59 ф/ ОБА Й (/б 1 Ф 3 а(4 Й 072 Уа 8 о(Ю гз М Подписноебретениям и открытиям при ГКНТ СССРаушская наб 4/5