ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в преобразовательных установках с квазисинусоидальным выходным напряжением для стабилизированного прецизионного электропривода, для преобразования напряжения одной частоты в другую (как с понижением, так и повышением частоты), при построении источников вторичного электропитания, предназначенных для прецизионных частотно-управляемых, особенно низкоскоростных электроприводов, используемых в мехатронных станках, в лентопротяжных механизмах устройств автоматики, телеметрии и звукозаписи, обеспечивая во всех случаях высокое качество преобразованной электроэнергии, широкий диапазон регулирования частоты и хорошие массогабаритные показатели.

Известны непосредственные преобразователи частоты, осуществляющие преобразование трехфазного тока в однофазный с другой частотой. Непосредственный преобразователь частоты состоит из двух трехфазных схем выпрямления, первая из которых присоединена к фазам трансформатора анодами, а вторая - катодами [1].

Непосредственные преобразователи частоты имеют недостаточное качество выходного напряжения и узкий диапазон регулирования частоты, а также низкую стабильность параметров выходного напряжения при колебаниях параметров напряжения питания.

Также известен преобразователь постоянного напряжения в переменное программируемой формы с блоком управления, содержащей последовательно соединенные модулятор, амплитудный квантователь, демодулятор с полностью управляемыми ключевыми элементами, а также блок управления [2].

К недостаткам известного преобразователя следует отнести возможность работы только от источника постоянного напряжения, что ограничивает функциональные возможности или требует наличия выпрямителя со сглаживающим фильтром и стабилизатора, а это ведет к увеличению массогабаритных показателей преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному преобразователю переменного напряжения является выбранный в качестве прототипа программируемый преобразователь напряжения произвольной формы в напряжение требуемой формы [3] , содержащий последовательно соединенные модулятор, амплитудный квантователь, демодулятор, выполненные на полностью управляемых ключевых элементах с двусторонней проводимостью, а также блок управления, формирователь управляющего кода, анализатор напряжения питания, синхронизатор и последовательно соединенные измерительный выпрямитель, аналого-цифровой блок, масштабирующий умножитель, вычитатель, сумматор, компенсирующий делитель, регулирующий умножитель.

Недостатком указанного преобразователя является то, что при питании от сети переменного тока в кривой выходного напряжения присутствуют провалы напряжения (при прохождении кривой питающего напряжения через ноль). Это приводит к искажению формы выходного напряжения, т.е. ухудшению его качества (гармонического состава), что особенно заметно на низких и инфранизких частотах.

Целью изобретения является повышение качества выходного напряжения.

Это достигается тем, что преобразователь переменного напряжения, содержащий модулятор и последовательно соединенные амплитудный квантователь, демодулятор, выполненные на полностью управляемых ключевых элементах с двусторонней проводимостью, первый анализатор напряжения, входом подключенный к входу первого модулятора, блок управления, сумматор и компенсирующий делитель, введены второй модулятор и второй анализатор напряжения, входом подключенный к входу второго модулятора, задающий генератор, детектор нулевого кода, два фазоманипулятора и формирователь полярности напряжения, причем первые выходные выводы модуляторов объединены, а вторые подключены к силовому входу амплитудного квантователя, выход задающего генератора подключен к входу блока управления, синхронизирующий выход которого подключен к управляющим входам анализаторов напряжения питания и к входу формирователя полярности напряжения и через фазоманипуляторы - к управляющим электродам ключевых элементов соответствующих модуляторов, а информационный выход подключен к одному из входов компенсирующего делителя и к входу детектора нулевого кода, выход которого подключен к управляющему входу формирователя полярности напряжения, выходом соединенного с управляющими электродами ключевых элементов демодулятора, причем второй вход компенсирующего делителя через сумматор связан с информационными выходами анализаторов напряжения питания, управляющие выходы которых подключены к управляющим входам соответствующих фазоманипуляторов, причем выход компенсирующего делителя подключен к управляющим электродам ключевых элементов амплитудного квантователя, а входы модуляторов предназначены для подключения к различным фазам питающего напряжения. Кроме того, блок управления содержит двоичный циклический счетчик, модуль памяти, стробируемый параллельный регистр, синхронизирующий генератор, цифровой регулирующий умножитель, при этом счетный вход двоичного счетчика образует вход блока управления, а его выход подключен к адресным входам модуля памяти, выходная шина данных которого подключена к информационному входу стробируемого параллельного регистра, к стробирующему входу которого подключен выход синхронизирующего генератора, выход стробируемого регистра подключен к входу цифрового регулирующего умножителя, выход которого и выход синхронизирующего генератора образуют соответственно информационный и синхронизирующий выходы блока управления. Анализатор напряжения питания содержит последовательно соединенные входной согласующий трансформатор, масштабирующий усилитель и аналого-цифровой преобразователь, выход которого образует информационный выход анализатора напряжения питания, детектор нулевого напряжения, вход которого подключен к выходу масштабирующего усилителя, выход образует управляющий выход анализатора напряжения питания, а вход "Запуск счета" аналого-цифрового преобразователя образует управляющий вход анализатора напряжения питания.

На фиг. 1 представлена структурная схема преобразователя переменного напряжения; на фиг.2-5 - функциональные схемы соответственно блока управления, анализатора напряжения питания, фазоманипулятора и амплитудного квантователя; на фиг.6 изображены диаграммы напряжений, поясняющие работу преобразователя переменного напряжения.

Преобразователь переменного напряжения (фиг.1) содержит два модулятора 1 и 2, каждый из которых выполнен в виде мостового инвертора 3.1, 3.2 и выходного трансформатора 4.1, 4.2, причем входы модуляторов 1,2 являются входами преобразователя переменного напряжения.

Вторичные обмотки выходных трансформаторов 4.1 и 4.2 модуляторов 1 и 2 соединены последовательно и включены на вход амплитудного квантователя 5, а его выход подключен к входу демодулятора 6, выход которого является выходом преобразователя переменного напряжения. Кроме этого, преобразователь содержит анализаторы напряжения питания 7.1 и 7.2, входами подключенные к входам соответственно модуляторов 1 и 2, управляющими выходами - к управляющим входам соответственно фазоманипуляторов 8.1 и 8.2, а информационными выходами на входы сумматора 9, выход которого подключен к одному из входов компенсирующего делителя 10, на второй вход которого подключен информационный выход блока управления 11, кроме этого информационный выход блока управления 11 подключен к входу детектора нулевого кода 12, выход которого подключен к управляющему входу формирователя полярности напряжения 13, а синхронизирующий выход блока управления 11 подключен к управляющим входам анализаторов напряжения питания 7.1, 7.2, к входу формирователя полярности напряжения 13, выход которого подключен к управляющим электродам силовых ключей демодулятора 6, а также к входам фазоманипуляторов 8.1 и 8.2, выходы которых подключены к управляющим электродам силовых ключей соответственно модуляторов 3.1 и 3.2.

Выход задающего генератора 14 подключен к входу блока управления 11, а на вход задающего генератора 14 поступает сигнал, задающий частоту выходного напряжения преобразователя переменного напряжения.

Блок управления 11 (см. фиг.2) содержит циклический двоичный счетчик 15, счетный вход которого является входом блока управления 11 и подключен к выходу задающего генератора 14, а выход - к адресному входу модуля памяти 16, выходная шина данных которого подключена к информационным входам стробируемого параллельного регистра 17, а на его стробирующий вход подключен выход синхронизирующего генератора 18, выход которого является также синхронизирующим выходом блока управления 11. Выход стробируемого параллельного регистра 17 подключен к входу регулирующего цифрового умножителя 19, выход которого является информационным выходом блока управления 11.

Анализатор напряжения питания 7.1 (7.2) содержит входной согласующий трансформатор 20, первичная обмотка которого подключена к входному напряжению питания (соответствующему входу модуляторов 1 и 2) U_вх1 (U_вх2) и является входом анализатора напряжения питания 7.1 (7.2). Вторичная обмотка трансформатора 20 подключена к входу масштабирующего усилителя 21, а его выход подключен к входу детектора нулевого напряжения 22, выход которого является управляющим выходом анализатора напряжения питания 7.1 (7.2) и подключен к управляющему входу фазоманипулятора 8.1 (8.2). Согласующий трансформатор 20 и масштабирующий усилитель 21 служат для согласования уровней входных напряжений питания U_вх1 и U_вх2 с уровнем входного напряжения аналого-цифрового преобразователя 23. К аналоговому входу аналого-цифрового преобразователя 23 подключен выход масштабирующего усилителя 21, а к управляющему входу "Запуск счета" аналого-цифрового преобразователя 23 (управляющий вход анализатора напряжения питания 7.1 (7.2) подключен синхронизирующий выход блока управления 11. При этом выход аналого-цифрового преобразователя 23 является информационным выходом анализатора напряжения питания 7.1 (7.2).

Фазоманипулятор 8.1 и 8.2 (см. фиг.4) содержит триггер 24, к входу которого подключен синхронизирующий выход блока управления 11, а прямой и инверсный выходы подключены соответственно к входам сумматоров 25 и 26 по модулю 2, причем их вторые входы объединены (управляющий вход) и подключены к управляющему выходу анализатора напряжения питания 7.1 (7.2). Выходы сумматоров 25 и 26 по модулю 2 подключены к входам буферных усилителей 27 и 28 (служат для согласования по уровню и мощности, а также гальванической развязки электрических сигналов), выходы которых являются выходами фазоманипуляторв 8.1 (8.2) и подключены к управляющим электродам силовых ключевых элементов модулятора 1 (2). Формирователь полярности напряжения 13 выполнен по аналогичной схеме (см. фиг.4) фазоманипулятора 8.1 (8.2).

Амплитудный квантователь 5 (фиг. 5) выполнен в виде высокочастотного трансформатора, во вторичной обмотке которого включены последовательно силовые ячейки, выполненные на полностью управляемых ключевых элементах с двусторонней проводимостью К_1м, К_2м. Причем отношение количества витков обмоток W₁, W₂, . . ., W_м последовательно включенных силовых ячеек составляет 1,2,4,..., т.е. весовые коэффициенты двоичного кода.

Преобразователь переменного напряжения работает следующим образом.

Входные напряжения питания U_вх1 и U_вх2 (см. фиг.6) от различных фаз питающего напряжения поступают на вход соответственно модуляторов 1 и 2. На модуляторах 1 и 2, выполненных, например, по мостовой схеме инвертора (3.1 и 3.2) на полностью управляемых ключевых элементах с двусторонней проводимостью с выходным высокочастотным трансформатором (4.1 и 4.2), входные напряжения U_вх1 и U_вх2 модулируются промежуточной высокой частотой f_пр, задаваемой синхронизирующим генератором 18 блока управления 11. Выходные высокочастотные импульсные напряжения U_м1модулятора 1 и U_м2 модулятора 2 суммируются (так как выходные обмотки трансформаторов 4.1 и 4.2 соединены последовательно) и поступают на вход амплитудного квантователя 5 (см. фиг.5). При этом анализаторы напряжения питания 7.1 и 7.2 и фазоманипуляторы 8.1 и 8.2 обеспечивают совпадение полярности напряжения U_м1 и U_м2 в каждом также модулирующей (высокой промежуточной) частоты f_пр вне зависимости от полярности входных напряжений питания U_вх1 и U_вх2. Амплитудный квантователь 5 обеспечивает формирование из высокочастотного импульсного напряжения (U_м1 + +U_м2) высокочастотного импульсного напряжения U_АК с огибающей требуемой формы и частоты (выходного напряжения U_вых) за счет изменения амплитуды напряжения, величина которой задается блоком управления 11, в каждом также промежуточной высокой частоты f_пр (изменение коэффициента трансформации, амплитудного квантователя 5 (фиг.5), переключением с помощью силовых ячеек количества витков на вторичной обмотке высокочастотного трансформатора) высокочастотного импульсного напряжения U_АК, которое соответствует форме и частоте требуемого выходного напряжения. В зависимости от величины входных напряжений U_вх1 и U_вх2, а также от величины требуемого выходного напряжения, выбирают соотношение количества витков в первичной и вторичной обмотках высокочастотных трансформаторов 4.1 и 4.2 (в модуляторах 1 и 2) и высокочастотном трансформаторе амплитудного квантователя 5.

Рассмотрим более подробно процесс формирования высокочастотного импульсного напряжения U_АК. Входные напряжения питания U_вх1 и U_вх2параллельно с поступлением на вход модуляторов 1 и 2 поступают соответственно на входы анализаторов напряжения питания 7.1 и 7.2, где мгновенные значения их амплитуд преобразуются в двоичный код U_вх1^* и U_вх2^*. Причем время преобразования аналого-цифрового преобразователя 23 на порядок выше периода промежуточной частоты f_пр. Значения U_вх1^* и U_вх2^* с информационного выхода анализаторов напряжения питания 7.1 и 7.2 поступают на входы сумматора 9, с выхода которого сумма значений U_вх1^* + U_вх2^* поступает на один из входов компенсирующего делителя 10, при этом на его второй вход поступает значение U_эт из блока управления 11, последовательность которых и обеспечивает требуемую форму выходного напряжения U_вых преобразователя, т.е. форма выходного напряжения U_выхаппроксимирована последовательностью дискретных значений U_этi, записанных в модуль памяти 16 блока управления 11. Причем последовательность значений U_этi* может меняться в процессе работы преобразователя переменного напряжения вследствие перезаписи значений U_эт* в модуле памяти 16. Таким образом может осуществляться оптимизация выходного напряжения преобразователя в реальном масштабе времени.

Выборка значений U_этi* из блока управления 11 осуществляется следующим образом. Циклический двоичный счетчик 15 последовательно опрашивает адреса модуля памяти 16, по которым записана последовательность значений U_этi*, определяющих форму выходного напряжения U_вых, а скорость опроса модуля памяти 16 и, следовательно, частота выходного напряжения U_вых определяется частотой задающего генератора 14, выход которого подключен к счетному входу циклического двоичного счетчика 15. Следовательно, изменяя частоту задающего генератора 14, можно изменять в широких пределах частоту выходного напряжения U_вых преобразователя без ухудшения качества (в том числе и программно).

Количество циклов счетчика 15 определяется количеством аппроксимирующих дискретных значений U_эт*, задающих форму выходного напряжения на полупериоде. Дискретные значения U_этi* с шины данных модуля памяти 16 записывают в параллельный стробируемый регистр 17 по сигналу с синхронизирующего генератора 18. Регистр 17 служит для хранения и синхронизации моментов перезаписи текущего значения U_эт*. С помощью цифрового регулирующего умножителя 19 регулируют величину выходного напряжения U_вых преобразователя, умножая значения U_эт* на коэффициент регулирования К_рег.*. Таким образом, на входы компенсирующего делителя 10 поступает сумма текущих значений входных напряжений (U_вх1^* + U_вх2^*), из сумматора 9 и текущее значение U_эт^* из блока памяти 11 (принимаем К_рег.^* = 1). В результате деления на выходе компенсирующего делителя 10 в каждом такте частоты f_пр формируется управляющий код, соответствующий требуемой коммутационной функции:
K*i

Управляющий код К_i* поступает на управляющие электроды полностью управляемых ключей К₁₁...К_1м и К₂₁...К_2м силовых ячеек амплитудного квантователя 5 (фиг. 5). В результате происходит изменение коэффициента трансформации, что и обеспечивает формирование в каждом такте частоты f_пр заданной амплитуды, а так как в каждом такте значение управляющего кода K_i* меняется, то в результате последовательного опроса модуля памяти 16 блока управления 11 получаем высокочастотное импульсное напряжение U_АК, огибающая которого соответствует требуемой форме и частоте выходного напряжения U_вых преобразователя. Выделение огибающей, т.е. формирование U_вых, происходит на демодуляторе 6, на управляющие электроды которого поступают сигналы с выхода формирователя полярности напряжения 13. Так как в модуле памяти 16 блока управления 11 записаны дискретные значения аппроксимированного напряжения требуемой формы на полупериоде, для формирования двуполярного выходного напряжения U_выхиспользуется формирователь полярности напряжения 13, который изменяет фазу работы ключевых элементов демодулятора на 180^о в моменты времени, определяемые нулевым текущим значением U_эт*, которое поступает с информационного выхода блока управления 11 на вход детектора нулевого кода 12, а его выходной сигнал (логический "0" или "1") поступает на управляющий вход формирователя полярности напряжения 13. Фазоманипуляторы 8.1 и 8.2 обеспечивают изменение фазы сигнала, поступающего на управляющие электроды силовых ключей соответственно модуляторов 1 и 2. Изменение фазы происходит при поступлении управляющего сигнала (логический "0" или "1") с управляющего выхода анализатора напряжения питания 8.1 (8.2) (детектора нулевого напряжения 22). Таким образом, обеспечивается суммирование выходных напряжений U_м1и U_м2 модуляторов 1 и 2 в независимости от изменения полярностей входного напряжения U_вх1 и U_вх2, так как в каждом такте промежуточной частоты f_пр полярности напряжений U_м1 и U_м2 совпадают. Синхронизация работы всех блоков и узлов преобразователя переменного напряжения осуществляется частотой синхронизирующего генератора 18 (синхронизирующий выход) блока управления 11.

Использование: преобразование напряжения одной частоты в другую (как с понижением, так и повышением) для питания стабилизированного прецизионного электропривода. Сущность изобретения: преобразователь содержит два модулятора 1, 2, каждый из которых выполнен в виде мостового инвертора 3.1, 3.2 и выходного трансформатора 4.1, 4.2. Первые выходные выводы модуляторов объединены, а вторые подключены к силовому входу амплитудного квантователя 5, а его выход подключен к входу демодулятора 6, выход которого является выходом преобразователя. Анализаторы напряжения питания 7.1 и 7.2 входами подключены к входам модуляторов 1, 2 соответственно, управляющими выходами - к управляющим входам соответственно фазоманипуляторов 8.1 и 8.2, а информационными выходами - к входу сумматора 9, выход которого подключен к одному из входов компенсирующего делителя 10, к второму входу которого подключен информационный выход блока управления 11, кроме того, информационный выход блока управления 11 подключен к входу детектора 12 нулевого кода, выход которого подключен к управляющему входу формирователя полярности напряжения 13, а синхронизирующий выход блока управления 11 подключен к управляющим входам анализаторов напряжения питания 7.1, 7.2, к входу формирователя полярности напряжения 13, выход которого подключен к управляющим электродам силовых ключей демодулятора 6, а также к входам фазоманипуляторов 8.1 и 8.2, выходы которых подключены к управляющим электродам силовых ключей соответственно модуляторов 3.1 и 3.2. Выход задающего генератора 14 подключен к входу блока управления 11. На вход задающего генератора 14 поступает сигнал, задающий частоту выходного напряжения преобразователя переменного напряжения. 6 ил.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий модулятор и последовательно соединенные амплитудный квантователь, демодулятор, выполненные на полностью управляемых ключевых элементах с двусторонней проводимостью, первый анализатор напряжения, входом подключенный к входу первого модулятора, блок управления, сумматор и компенсирующий делитель, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выходного напряжения, введены второй модулятор и второй анализатор напряжения, входом подключенный к входу второго модулятора, задающий генератор, детектор нулевого кода, два фазоманипулятора и формирователь полярности напряжения, причем первые выходные выводы модуляторов объединены, а вторые подключены к силовому входу амплитудного квантователя, выход задающего генератора подключен к входу блока управления, синхронизирующий выход которого подключен к управляющим входам анализаторов напряжения питания и к входу формирователя полярности напряжения и через фазоманипуляторы к управляющим электродам ключевых элементов соответствующих модуляторов, а информационный выход подключен к одному из входов компенсирующего делителя и к входу детектора нулевого кода, выход которого подключен к управляющему входу формирователя полярности напряжения, выходом соединенного с управляющими электродами ключевых элементов демодулятора, причем второй вход компенсирующего делителя через сумматор связан с информационными выходами анализаторов напряжения питания, управляющие выходы которых подключены к управляющим входам соответствующих фазоманипуляторов, причем выход компенсирующего делителя подключен к управляющим электродам ключевых элементов амплитудного квантователя, а входы модуляторов предназначены для подключения к различным фазам питающего напряжения. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок управления содержит двоичный циклический счетчик, модуль памяти, стробируемый параллельный регистр, синхронизирующий генератор, цифровой регулирующий умножитель, при этом счетный вход двоичного счетчика образует вход блока управления, а его выход подключен к адресным входам модуля памяти, выходная шина данных которого подключена к информационному входу стробируемого параллельного регистра, к стробирующему входу которого подключен выход синхронизирующего генератора, выход стробируемого регистра подключен к входу цифрового регулирующего умножителя, выход которого и выход синхронизирующего генератора образуют соответственно информационный и синхронизирующий выходы блока управления. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что анализатор напряжения питания содержит последовательно соединенные входной согласующий трансформатор, масштабирующий усилитель и аналого-цифровой преобразователь, выход которого образует информационный выход анализатора напряжения питания, детектор нулевого напряжения, вход которого подключен к выходу масштабирующего усилителя, выход образует управляющий выход анализатора напряжения питания, а вход "Запуск счета" аналого-цифрового преобразователя образует управляющий вход анализатора напряжения питания.