Инвертор с синусоидальной формойвыходного напряжения

Союз Советски кСоциалистическиеРеспублик О П И С А Н И Е (а 847465ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22)Заявлено 22.0179 (21) 27 543/24-07 (5)М-. Кд3 с присоелинением заявки РЙ Н 02 М 7/48 Н 02 Р 3/20(23) Приоритет до делам наебретеннй н открытий(71) Заявитель стит 54) ИНВЕРТОР С СИНУСОИДАЛЬНОЙ ФОРМОЙ ВЬИОДНОГ НАПРЯЖЕНИЯ Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для построения высокоэффективных источников электропитания промышленной и специальной аппаратуры в автономных объектах, где требуются высокая стабильность и точность формы и амплитуды выходного напряжения, высокий КПД в широком диапазоне изменений тока нагрузки и вида нагрузки.Известны преобразователи с сину 10 соидальной формой выходного напряжения, использующие широтно-импульсную модуляцию 11 и21. В этих устройствах постоянная составляющая изменяет"15 ся за счет широтно-импульсной модуляции по требуемому закону, задаваемому источником опорчого сигнала (модуль синуса), с последующим инвертированием выходного напряжения (моменты инвертирования совпадают с моментами перехода через нуль модулируемого сигнала - синусоиды 1,2), либо инвертируют не отфильтрованный выходной сигнал - модуль синуса в широтно-импульсно-модулированный сигнал с последующей фильтрацией 1,1,31 и41,Однако в этих устройствах неудается обеспечить высокое качествовыходного напряжения ( форму) и егомалую нестабильность в широком диапазоне изменений тока нагрузки, атакже при работе устройства на комплексную нагрузку с большим фазовым сдвигом между током и напряжением,хотя в большинстве выпускаемой промышленностью аппаратуры содержитсятрансформатор и выпрямитель с первымемкостным звеном фильтра. Все этоприводит к отсечке потребляемоготока, т.е. нагрузка представляетсобой нелинейную цепь со значительной реактивной составляющей, ток может либо опережать, либо отставатьот напряжения, кроме того, в моментыкоммутации такие устройства не в состоянии эффективно и без потерь регу84746 лиронать реактивную мощность, что приводит к искажению формы выходного напряжения, так как нет пути протекания тока, который отстает, либо опережает напряжение на нагрузке. Преоб 5 разователи с синусоидальной формой выходного напряжения должны обеспечивать высокое качество выходного напряжения в широком диапазоне токов нагрузки и устранять искажения формы напряжения при работе на активно-реактивную нагрузку.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее эталонный15 генератор, подключенный к одному из входов схемы сравнения, выход которой подключен к широтно-импульсному модулятору, мостовой выходной каскад с С-фильтром, выход которого подключен к другому входу схемы сравнения, выход широтно-импульсного модулятора подключен через дополнительные усилители к источникам запирающего и отпирающего напряжения, включенным в цепь управления транзисторами выходного мостового каскада. В данном преобразователе отсутствуют искажения формы выходного напряжения при работе на активно-реактивную нагрузку в широком диапазоне изменения токов нагрузки, так как существуют цепи рекуперации реактивной мощности, но именно из-за этих цепей он обладает невысо" ким КПД в связи с наличием сквозных токов Точность системы тем вьппе, чем больше коэффициент усиления цепи обратной связи, но возможность увеличения коэффициента усиления в контуре системы для повьппения ее точности по управляющему воздействию и возмущениям ограничена условием устойчивости. Следовательно, в данном преобразователе нельзя достичь высокой стабильности выходного напряжения из-за ограничения максимального коэффициента усиления в канале, охваченном обратной связью.Цель изобретения - повьппение КПД и устойчивости преобразователя.Поставленная цель достигается тем, что в инвертор с синусоидальной фор" мой ВыхОднОГО напряжения содержащий 55 эталонный генератор, подключенный к одному из входов схемы сравнения, другой вход которой подключен к выходным выводам инвертора, а ее выход 5 фсрединен со входом широтно-импульсного модулятора, а также источники запирающего и отпирающего напряжения,которые вместе с гальвинически развязанными выходами модулятора подключены к эмиттерам силовых транзистороввыходного каскада, выполненного помостовой схеме, причем между выводами переменного тока этого моста, образующими выходные выводы инвертора,.включен .С-фильтр, введены выпрямитель, два пороговых усилителя, комбинационная схема, имеющая два входа,и управляемые ключи переменного тока,причем выход эталонного генератора исхемы сравнения соединены через пороговые усилители со входами комбинационной схемы, выходы которой подключены к управляющим входам соответствующих ключей переменного тока, силовые выводы последних включены междуисточниками отпирающего и запирающего напряжений, гальванически развязанными выходами широтно-импульсногомодулятора и базами силовых транзисторов выходного каскада, а вход широтно-импульсного модулятора черезвведенный выпрямитель подключен квыходу схемы сравнения. Кроме того, с целью упрощения, выход выпрямителя подключен к управляющему входу введенного фазо-импульсного модулятора, выполненного в виде опорного генератора прямоугольного напряжения и фазосдвигающего узла, . причем гальванически развязанные выходы опорного генератора прямоугольного напряжения соединены с первым входом соответствующих введенных преобразователей фаэо-импульсно-модулированных сигналов в широтно-импульсно-модулированные, выходом соединенных с базами силовых транзисторов выходного каскада, выход опорного генератора прямоугольного напряжения через ключ переменного тока в фазе, гальванически развязанные выходы эталонного генератора через другой ключ переменного тока в противофазе и выход фазосдвигающего узла через третий ключ переменного тока подклю" чены ко второму входу указанных преобразователей, а управляющие входы ключей переменного тока подключены к соответствующим выходам комбинационной схемы.На фиг.1 изображена принципиальная схема инвертора с синусоидальной фор5 84 мой выходного напряжения на фиг.2 - диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу инвертора; на фиг.З - эквивалентные схемы инвертора, поясняншие принцип его работы; на фнг,4 - широтно-импульсный модулятор, источники отпирающего, запирающего, широтно- импульсно-модулированных сигналов и ключи переменного. тока, вариант нз фиг,5 - принципиальная схема комбинационной схемы. Инвертор с синусоидальной формой выходйого напряжения фиг.1 содер" жит эталонный генератор 1, схему 2 сравнения, выпрямитель 3, широтно- импульсный модулятор 4, пороговые усилители 5 и 6, комбинационную схему 7, блоки 8 ключей переменного тока, транзисторы 9-1,2 мостового выходного каскада, диоды 3-6, дроссель 17, конденсатор 18, источники 9-22 запирающего напряжения, источники 23-26 отпирающего напряжения, гальванически развязанные выходы .27-30 широтно-импульсного модулятора источник 31 постоянного напряжения. Широтно-импульсный мрдулятор с гальванически развязанными выходами, источники запирающего и отпирающего Иапряжения, ключи переменного тока могут состоять иэ фазо-импульсного модулятора 32 фиг.4), генератора 33 прямсугольного напряжения, фазосдвигающего узла 34, блоков 35 ключей переменного тока и преобразователя 36 фаэо-импульсно-модулированного сигнала в широтно-импульсно-модулированный. Комбинационная схема 7 (фиг.1) может содержать логические элементы НЕ 37-40 и логические элементы И-НЕ 41 и 42 (фиг.5) . Выход эталонного генератора 1 соединен со схемой 2 сравнения и пороговым усилителем 6. На другой вход схемы 2 сравнения поступает напряжение с конденсатора 8 выходного .С-фильтра. Выход схема сравнения соединен с выпрямителем 3 и пороговым усилителем 5. К управляющему входу широтно-импульсного модулятора 4 подключен выход выпрямителя 3. Гальванически развязанные выходы широтно-импульсного модулятора источники отпирающего и запирающего напряжения подключены к эммитерам транзисторов мостового каскада, другим своим концом каждый источник подключен к силовым выводам соответствующих ключей переменного тока,7465 6другой конец которых подключен к базам транзисторов 9-12. Выходы пороговых усилителей 5 и 6 подключены ковходам комбинационной схемы 7, выходы которой подключены к соответствующим ключам 8 переменного тока. В диагональ выходного мостового каскадавключен .С-фильтр, причем один конецконденсатора, не связанный с схемой2 сравнения, заземпен.Данное устройство упрощается, есливыход выпрямителя .3 соединен с фазоимпульсным модулятором 32, содержащим опорный генератор 33 прямоугольного напряжения, подключенный к фазосдвигающему узлу 34, управляющий входкоторого является входом фазо-импульсного модулятора 32, гальваническиразвязанные выходы генератора 33 прямоугольного напряжения соединены спервым входом рреобразователя 36фазо-импульсно-модулированных сигналов в широтно-импульсно-модулированный являющегося составной частью д блока ключей переменного тока и гальванически развязанных источниковширотно-импульсного напряжения, запирающего и отпирающего напряжения,причем выход последнего подключенк силовым транзисторам выходного каскада. Этот же выход опорного генератора 33 через ключ переменного тока в фазе подключен ко второму входупреобразователя 36 этот же гальванически развязанньщ выход генератора33 через другой ключ переменного токаподключен к противофазе также повторому входу преобразователя 36выход фаэосдвигаюшего устройства(транзисторами 11 через третий ключпеременного тока подключен такжеко второму входу преобразователя 36,а управляющие входы ключей переменного тока подключены к выходам комбинационной схемы 7. Устройство также упрощается, если выход Х 2 порогового усилителя 5 (фиг.1) является выходом комбинационной схемы 7 (43 и 44, фиг.5), а также соединен со входом элемента НЕ 37 и одним из входов элемента 42. Выход Х 1 порогового усилителя 6 подключается, ко входу элемента 38 и к другому входу элемента 42. Выход элемента НЕ .37 является выходом комбинационной схема и подключен к одному иэ входов элемента НЕ 41, к другому его входу подключен выход элемента НЕ 38.7 8474Выход элемента 4 является выходомкомбцнационной схемы 45. Соединивего через элемент НЕ 40, получаютвыход 46. Выход элемента 42 - этовыход комбинационной схемы 47. Со 5единив его с входом элемента НЕ 39,получают на его выходе выход комбинационной схемы 48. Выходы комбинационной схемы соецинены с управляющими входами соответствующих ключейпеременного тока (фиг. и 4).Инвертор работает следующим образом.Считают, что сигнал с выходасхемы 2 сравнения имеет синусоидальцую форму,15Генератор 1 формирует эталонноесицусоидальное напряжение, котороечерез схему 2 сравнения(где формируется разностцый сигнал в результатесравнения эталонного сигнала и выходцого) поступает на вход выпрямителя 3. С выхода выпрямителя полученное напряжение 1,модуль синуса) воздействует.на вход широтно-импульсного.модулятора 4, который имеет четырегальванически развязанных выхода(гальванически развязанные выходыможно осуществить, используя, например оптроцы, либо воспользоватьсясхемой, приведенной на фиг,4), подключсшых через коммутирующие цепиключей переменного тока к базам силовых транзисторов 9-12. Пороговыеусилители 5 и 6 из напряжения синусоидальцой формы с выхода эталонногогенератора и схемы 2 сравнения формируют прямоугольное напряжение.СФормированные прямоугольные напряжения с выходов усилителей 5 и бпоступают ца входы комбинационной 40схемы 7, которая своими выходамиподключена к управляющим входам ключей переменного тока блока 8.Допустим, преобразователь работаетна емкостную нагрузку (холостой ход)В момент времени от 0 до й (см.фиг.2)происходит заряд выходного конденсатора от источника 31. Заряд конденсатора происходит по синусоидальномузакону широтно-импульсным сигналом.Путь протекания тока через конденса"тор в это время обеспечивается схемой, приведенной на фиг,За. Транзистор 9 работает в режиме широтно-импульсной модуляции, транзисторы 10и 11 закрыты, а транзистор 12 открыт,В это время от О до С происходитзаряд конденсатора, но заряд с какойто конечной скоростью, следовательно,65 8разность между опорным и выходным сигналом положительна, положителен в это же время и ток через конденсатор,В момент времени С.1 напряжение на конденсаторе достигает максимального значения, и нет пути для прохождения через него тока, второй в этот момент меняет знак (ток в емкостной нагрузке опережает напряжение). Следовательно в интервале й - С напряЭ2 жение на конденсаторе больше, чем напряжение опорного генератора,и, чтобы не было искажений в выходном напряжении при смене знака, конденсатор разряжается на источник 31, При этом имеет место замещение схемы (см.фиг,ЗЬ), где транзистор 11 работает в режиме широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону. При этом транзисторы 9 и 10 закрыты, а транзистор 12 открыт, В момент времени й напряжение на конденсаторе становится равным нулю и до момента времени й, когда знаки напряжения опорного генератора и разностного напряжения совпадают, происходит перезаряд конденсатора от источника 31 в другом направлении, при этом транзистор 1 О работает в режиме широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону, транзисторы 9 и 12 закрыты,а транзистор 1 открыт. В момент времени 1 происходит переключение схемы для обеспечения проте-. кания тока конденсатора, который меняет знак, при этом транзистор 12 работает в режиме широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону, транзисторы 9 и 10 закрыты, а транзистор 11 открыт.Аналогично работает схема в том случае, если заряд конденсатора осуществляется через транзисторы 2 и 10, а разряд - транзисторами 9 и 11.Напряжения, иллюстрирующие работу преобразователя на холостом ходу, приведены на фиг.2, где обозначено:Ь 0(С) - разностное напряжение11 (1) - напряжение на выходе этаоплонного генератора; Х 1 ф,ХЙ- напряжения на выходе пороговых усилителей 5 и 6; Ип У 21 йь- напряжения на выходе схемы 7 где 11 = 9,10,11,12 - номератранзисторов; Ь 9-п 12 - напряжение на базе транзисторов 9-12;) - напряжение в диагоналиАЪмостового выходного каскада;0 - напряжение на конденсаторе 18.Время Т т.е. начало появленияограничения величины напряжения науровне О зависит от величины индуктивности 1В качестве источников отпирающегои запирающего и гальванически развязанных источников широтно-импульсномодулированного сигнала с ключамипеременного тока может быть применено устройство, приведенное на фиг.4.Если на управляющие входы 51 и 52 ключей переменного тока подается запирающее напряжение, а на вход 53 ключа переменного тока - отпирающее, то ко второму входу преобразователя 36 прикла- одывается фазо-импульсно-модулированное напряжение. В результате этого,на выходе преобразователя 36 (т,е.всего устройства 35) формируется ши"ротно-импульсно-модулированное напряжение для управления силовым транзистором выходного каскада. Если навходы 52 и 53 ключей подается за.пирающее напряжение, а на выход 51ключа - отпирающее, то ко второму ЗОвходу преобразователя 36 подключается источник со сдвигом фазы на 180 Оотносительно исходного прямоугольного напряжения, поданного на первыйвХод преобразователя 36, а на выходе этого преобразователя формируется запирающее напряжение. Если навходы 51 и 53 ключей переменного тока с выходов комбинационной схемыподается запирающий сигнал, а на 40вход 51 ключа - отпирающий, то ковторому входу преобразователя 36прикладывается прямоугольное напряжение в фазе с напряжением на первомвходе преобразователя 36, следова зтельно, на выходе преобразователя36 формируется отпирающее силовойтранзистор напряжение,Ключи переменного тока со входами 51,52 и 53 можно выполнить по50известным схемам, например как показано на фиг.4 Преобразователь 36фазо-импульсно-модулированного напряжения в широтно-импульсно-модулированное можно выполнить с использова-укием известных схем, например какпоказано на фиг.5.Если задать силовым транзисторам9 и 11 (Фиг.1) такой режим работы 65 10чтобы эти транзисторы заряжали конденсатор 18 в режиме широтно-импульсной модуляции от источника 31 и разряжались на него, то комбинационная схема имеет вид, приведенный на фиг,5. Прямоугольные напряжения с выходов Х 1, Х 2 пороговых усилителей 5 и б поступают на входы комбинационной схемы , где выполняются операции инвертирования и операции И-НЕ над этими сигналами, в результате чего формируются управляющие сигналы на выходах комбинационной схемы. Выходы комбинационной схемы подключены к соответствующим управляющим входам ключей переменного тока, которые, управляя моментами включения отпирающих, запирающих и широтно-импульсно модулированных напряжений, обеспечивают формирование неискаженного синусоидального напряжения на выходе инвертора при любых видах нагрузки.КПД данного инвертора повышается за счет устранения сквозных токов, Нет такого момента времени, когда бы в режиме широтно-импульсной модуляции работали бы два транзистора (9 и 2, или 10 и 11). Всегда, если один транзистор работает в режиме широтно-импульсной модуляции, то другой закрыт, КПД повышается также за счет того, что в режиме широтно-импульсной модуляции всегда работает только один из четырех транзисторов, т.е, уменьшены потери на переключение. Устойчивость инвертора повышается вследствие заложенного принципа работы: при превышении выходного напряжения опорного сигнала устройство отключается от источника питания и поддерживает форму и амплитуду выходного сигнала эа счет энергии, записанной в выходном 1.С-фильтре. Ошибка в выходном сигнале относительно опорного возможна только до одного знака, Как только знак изменяется, схема переключается так, чтобы ошибка была опять прежнего знака, или же стреми" лась к нему. Если.в какой-то момент времени возникает колебание и амплитуда выходного напряжения превышает амплитуду опорного напряжения, выходной мостовой каскад отключает нагрузку от источника питания, и амплитуда и форма напряжения поддерживается за счет энергии 1 запасенной в выходном фильтре, т.е. колебания будут затухающие. Процесс этот ускоряется11 84746из-за активного вмешательства в процесс рекуперации энергии 1.0-фильтра,Данное свойство системы позволяет повысить коэффициент усиленияв замкнутом контуре регулирования и, темсамым, увеличить стабильность выход 5ного напряжения,Все это позволяет значительноулучшить качество и энергетическиехарактеристики источников электропита-,ния промышленной и специальной аппаратуры в автономных объектах с широким диапазоном изменения нагрузки,15Формула изобретения1. Инвертор с синусоиадальной формой выходного напряжения, содержащий эталонный генератор, подключенный к одному из входов схемы сравнения, другой вход которой подключен к выходным выводам инвертора, а ее выход соединен со входом широтно-импульсного модулятора,а также источники запирающеГо и отпирающего напряжений, 25 которые вместе с гальваннчески развязанными выходами модулятора подключены к эмиттерам силовых транзисторов выходного каскада, выполненного по мостовой схеме, причем между выводами переменного тока этого моста, образующими выходные выводы конвертора, подключен 1.С-фильтр, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повьппения КПД и устойчивости, дополнительно35 введены. выпрямитель, два пороговых усилителя, комбинационная схема, имеющая два входа, и управляемые ключи переменного тока, причем выход эталонного генератора и схемы сравнения сое-, динены через пороговые усилители со входами комбинационной схемы, выходы которой подключены к управляющим входам соответствующих ключей переменного тока, силовые выводы последних включены между источниками отпирающего и запирающего напряжений, гальвани- чески развязанными выходами широтно- импульсного модулятора и базами тран 5 12з 11 сторов выходного каскада, а входширотно-импульсного модулятора черезвведенный выпрямитель подключен к выходу схемы сравнения.2. Инвертор по п.1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью упрощения, выход выпрямителя подключен куправляющему входу введенного фазо"импульсного модулятора, выполненногов виде опорного генератора прямоугольного напряжения и фаэосдвигающегоузла, причем гальванически развязанные выходы опорного генератора прямоугольного напряжения соединеныс первым входом соответствующих вве- .денных преобразователей фазо-импульсно-модулированных сигналов в широтно-импульсно-модулированные, выходомсоединенных с базами соответствупппихсиловых транзисторов выходного каскада, выход опорного генератора прямоугольного напряжения через ключ пере"менного тока в фазе, гальваническиразвязанные выходы эталонного генератора через другой ключ переменноготока в противофазе и выход фазосдвигающего узла через третий ключ переменного тока подключены ко второмувходу указанных преобразователей, ауправляющие входы ключей переменноготока подключены к соответствующимвыходам комбинационной схемы.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Патент Японии 9 51-35683,кл. Н 02 Р 13/20, 1976,2. Патент ФРГ 9 2543776,кл. Н 02 Р 13/24, 1977.3. Малышков Г М. и др. Однофазныеинверторы в классе Д. -"Электроннаятехника в автоматике", вып."Советскоерадио", 1976,4. Малышков Г.М. и др. "Преобразователь постоянного напряжения в переменное, работающий в классе Д".Сб. "Повьппение эффективности устройствв преобразовательной технике", Киев,