СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО, ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ Российский патент 2002 года по МПК H02M5/22 

Изобретение относится к области систем преобразования силового напряжения и может быть использовано, например, в устройствах питания электроприводов переменного тока и электроприводов на базе бесконтактных двигателей, а также в устройствах, предназначенных для преобразования одного вида напряжения в другой либо кондиционирования напряжения.

Известен способ преобразования напряжения [1] (стр. 77-79, рис. 3.1), заключающийся в том, что многофазное напряжение переменного тока выпрямляют, преобразовывают в импульсное напряжение высокой частоты. Его затем преобразовывают в постоянное нестабилизированное напряжение с уровнем, превышающим заданный, отфильтровывают пульсации, стабилизируют на заданном уровне и сглаживают перед подачей на нагрузку.

Недостатком этого способа является большое количество промежуточных устройств между первичным источником напряжения и нагрузкой. Это вызывает потери на каждом этапе преобразования, что снижает кпд. Кроме того, большое количество блоков приводит к росту габаритов и массы реализующего способ устройства.

Известен также способ преобразования напряжения [1] (стр. 93-96, рис. 4.7), заключающийся в том, что напряжение переменного тока трансформируют, выпрямляют, а выпрямленное напряжение стабилизируют. Такая система имеет меньше промежуточных блоков, но использование трансформатора на низкой частоте приводит к росту габаритов и массы всего преобразователя.

Известны устройства, реализующие преобразование напряжения из одной формы в другую. Например, в [3] (стр. 444-446, рис. 5.10) описан преобразователь напряжения, в состав которого входят источник первичного напряжения, управляемый выпрямитель, инвертор, преобразующий постоянное напряжение в трехфазное переменное, а также блоки управления частотой инвертора и амплитудой напряжения выпрямителя.

Недостатком этого устройства является многоступенчатая последовательность преобразования энергии и использование ключей с односторонней проводимостью.

Известна также система преобразования напряжения [1] (стр. 96-101, рис. 4.8), состоящая из последовательно соединенных источника первичного напряжения постоянного тока, импульсного регулятора напряжения, нерегулируемого инвертора, трансформатора, выпрямителя, усилителя рассогласования и блока ШИМ. Выход блока широтно-импульсной модуляции соединен со вторым входом импульсного регулятора напряжения. Для защиты от короткого замыкания в инверторе имеется блок защиты.

Недостатками этого устройства являются многоступенчатое преобразование энергии, использование ключей односторонней проводимости (биполярных транзисторных), а также невозможность использования напряжения переменного тока в качестве первичного.

Известно также устройство [1] (стр. 134-136, рис. 5.20), содержащее последовательно соединенные источник первичного питания, регулятор тока, ключевой инвертор.

Недостатками этого устройства являются наличие специального каскада для регулирования тока, использование ключей односторонней проводимости (биполярных транзисторных), невозможность использования напряжения переменного тока в качестве источника первичного напряжения.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ преобразования напряжения [2] (стр. 167-169, рис. 14в), используемый для управления электродвигателем. В этом способе реализуются следующие операции. Многофазный источник первичного напряжения коммутируется непосредственно на нагрузку, при этом направление протекания тока через нагрузку определяется порядком открывания ключей, уровень выходного напряжения регулируется временем открытия и закрытия ключей, а для предотвращения короткого замыкания блокируется открытие очередных ключей до закрытия предыдущих.

Недостатком этого способа является то, что используются ключи односторонней проводимости (тиристорные). Это, во-первых, вызывает необходимость увеличения количества ключей, чтобы обеспечить возможность работы как при положительной, так и при отрицательной фазе источника питания, а, во-вторых, не позволяет в произвольный момент времени коммутировать именно ту фазу, напряжение которой наиболее соответствует требуемому выходному по величине. Следствием этого является, с одной стороны, увеличение габаритов и массы устройства, реализующего описанный способ, а с другой стороны, - увеличение пульсаций напряжения на нагрузке.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является преобразователь напряжения [3] (стр. 147, рис. 2.17), содержащий последовательно включенные источник питания и ключевой коммутатор, а также схемы управления и защиты, обеспечивающие управление ключами для формирования на выходах напряжения требуемой полярности и уровня и предотвращающие возможность короткого замыкания.

Недостатком данного устройства является использование ключей односторонней проводимости (тиристорных), что не позволяет в произвольный момент времени коммутировать именно ту фазу, напряжение которой наиболее соответствует требуемому выходному по величине. Кроме того, использование тиристорных ключей делает достаточно сложным их закрывание в произвольный момент времени, в результате существенно затрудняется возможность фильтрации в выходном напряжении высокочастотных гармоник методами широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или широтно-импульсного регулирования (ШИР), то есть за счет выбора режима работы ключей.

Задачей, решаемой в результате применения предлагаемого технического решения, является снижение габаритов, массы и повышение надежности вследствие уменьшения числа ключей, а также повышение к.п.д. преобразователя. Кроме того, достигается уменьшение пульсаций в выходном напряжении преобразователя.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ преобразования напряжения, при котором источник первичного напряжения коммутируют непосредственно на нагрузку, при этом направление протекания тока через нагрузку определяют порядком открывания ключей, уровень выходного напряжения регулируют временем открытия и закрытия ключей, а для предотвращения короткого замыкания блокируют открытие очередных ключей до закрытия предыдущих, изменен таким образом, что сравнивают напряжения в фазах источника первичного напряжения с требуемыми значениями напряжений в фазах нагрузки и коммутируют фазы нагрузки с теми фазами первичного напряжения, текущее значение напряжения в которых по абсолютной величине минимально превосходит требуемое выходное, и при этом используют ключи двусторонней проводимости.

В результате работы преобразователя напряжения с использованием указанного способа достигается прямое преобразование m-фазного первичного напряжения в k-фазное вторичное. В частных случаях первичным либо вторичным напряжением может быть напряжение постоянного тока или однофазное переменного тока.

На фиг. 1 приведена иллюстрация, поясняющая, как из m-фазной сети напряжение может быть преобразовано в k-фазное выходное.

Очевидно, что при работе коммутатора должны обеспечиваться следующие условия: во-первых, одна и та же фаза выходного напряжения не должна быть одновременно подключена к разным фазам входного напряжения; во-вторых, необходимо учитывать конечность времени закрытия ключей. Неучет второго условия может привести к нарушению первого и, как следствие, к короткому замыканию. Поэтому команда на открытие ключа ij (i - индекс фазы первичного, j - индекс фазы вторичного напряжения) может быть подана только, когда остальные ключи, связанные с фазой j, закрыты. Таким образом ток из первичной фазы i может быть передан в фазу j выходного напряжения.

Для обеспечения требуемого уровня напряжения в фазе j напряжение в фазе i должно иметь такой же знак, как требуемое, а по абсолютной величине превосходить требуемое. Если этим условиям отвечают несколько фаз первичного напряжения, из них должна быть выбрана та, уровень напряжения в которой с учетом падения напряжения на ключах коммутатора минимально отличается от требуемого. Для выбора такой фазы напряжение в каждой из фаз сравнивается с требуемым. Если одной и той же фазе вторичного напряжения наилучшим образом соответствует несколько фаз первичного, то возможны различные варианты выбора приоритета, например, сохраняется уже установленная коммутация ij, и фaзa j исключается из числа рассматриваемых вариантов. Либо выбираются ключи ij, для которых обеспечивается более равномерное распределение нагрузки по фазам первичного напряжения. Либо другие варианты, учитывающие тенденции изменения напряжения в фазах первичного и вторичного напряжений. Поскольку напряжение на входе ключа ij превышает по уровню требуемое значение напряжения в фазе j, за счет управления ключом, например, в режимах ШИМ или ШИР, может обеспечиваться регулирование выходного напряжения в фазе j по уровню.

Так как напряжение в фазе i минимально отличается от требуемого напряжения в фазе j, то и отклонение мгновенного значения напряжения в фазе j от среднего за такт ШИМ (ШИР) будет минимальным. То есть уменьшаются пульсации в выходном напряжении при прочих равных условиях. Обеспечение прямого преобразования первичного напряжения во вторичное позволяет уменьшить необходимое для работы преобразователя количество ключей, за счет отказа от ключей, обычно используемых в промежуточных преобразователях энергии.

Использование ключей двусторонней проводимости позволяет использовать один и тот же ключ ij как в случае, когда потенциал в фазе i больше потенциала в фазе j, так и в случае, когда потенциал в фазе j больше, чем в фазе i. Это позволяет дополнительно уменьшить общее количество ключей, необходимых для работы преобразователя. Кроме того, поскольку в общем случае ключ двусторонней проводимости не требуется закрывать при смене полярности первичного напряжения, в выходном напряжении уменьшается число вынужденных просечек, вызванных тем, что до закрытия ключа одной полярности ключ другой полярности не может быть открыт. Таким образом, использование ключей двусторонней проводимости позволяет также дополнительно уменьшить пульсации выходного напряжения.

Более общим является вариант преобразования напряжения, схематично изображенный на фиг. 2.

В этом случае имеется возможность передачи тока из первичной сети во вторичную даже в том случае, когда напряжение в фазе первичной сети имеет знак, обратный тому, который требуется в соответствующей фазе вторичной. Это достигается инвертированием направления протекания тока в нагрузке. При таком варианте реализации способа для преобразования напряжения, как правило, требуется большее количество ключей, особенно в случае использования нагрузки с развязанными фазами [1, стр. 125]. Однако при этом уменьшаются пульсации выходного напряжения. Кроме того, в этом случае возможно преобразование смещенного относительно нуля первичного напряжения в несмещенное, либо смещенное произвольно вторичное напряжение, в том числе первичного напряжения постоянного тока во вторичное напряжение постоянного тока противоположного знака. Следует отметить, что в некоторых частных случаях, например, при использовании в качестве нагрузки многофазных электродвигателей, инверсия может достигаться также за счет изменения последовательности чередования фаз. При этом количество необходимых для преобразователя ключей может не увеличиваться.

Как видно из описания, при описанном способе невозможно сформировать вторичное напряжение, большее по амплитуде, чем первичное. Для получения вторичного напряжения с амплитудой больше первичного необходимо использование повышающего трансформатора. При этом с целью уменьшения размера трансформатора трансформацию целесообразно проводить на высокой частоте. Очевидно, однако, что и в этом случае описанный способ может быть использован для преобразования первичного напряжения в высокочастотное вторичное перед трансформацией, а также для преобразования высокочастотного напряжения в напряжение требуемой формы после трансформации.

Реализация описанного способа в устройстве достигается за счет того, что в устройство, содержащее последовательно соединенные источник первичного напряжения и коммутатор, а также схему управления и защиты, выходами связанную со входами управления коммутатором, первая группа входов которой соединена с выходами коммутатора, введены последовательно соединенные задатчик и блок сравнения, причем вторая группа входов блока сравнения соединена с выходами источника первичного напряжения, выходы блока сравнения соединены со второй группой входов схемы управления и защиты. Ключи коммутатора при этом обладают двусторонней проводимостью.

Все необходимые для реализации устройства блоки являются известными. В качестве источника первичного напряжения могут выступать сети постоянного и переменного тока, в том числе многофазные, аккумуляторные батареи, солнечные батареи, термоэлектрические преобразователи и т.п. Коммутатор может быть реализован на полевых транзисторах, реле, герконах. В качестве задатчика могут быть использованы реостаты или высокостабильные источники постоянного тока, в случае когда на выходе преобразователя требуется получить постоянное напряжение, либо стабильные генераторы переменного, в том числе многофазного тока (см., например, [1], стр. 104-105), когда на выходе требуется получить переменное напряжение. Блок сравнения (см. фиг.4) может быть выполнен с использованием усилителей (см., например, [4], стр. 177, фиг.8.1), коммутирующих и логических элементов. Схема управления и защиты может быть реализована, как в прототипе, либо в [1] (стр. 97).

На фиг. 3 приведена блок-схема предлагаемого устройства. На ней выходы источника первичного напряжения (ИПН) 1 соединены со входами коммутатора 2, входы управления которого соединены с выходами схемы управления и защиты (СУЗ) 4. Выходы коммутатора 2 соединены со второй группой входов СУЗ 4 и нагрузкой 6. Первая группа входов блока сравнения (БС) 3 соединена с выходами задатчика 5, вторая группа входов блока сравнения 3 соединена с выходами ИПН 1, а выходы блока сравнения 3 соединены с первой группой входов схемы управления и защиты 4.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

С выходов ИПН 1 питающее напряжение поступает на входы коммутатора 2 и вторую группу входов блока сравнения 3. В БС 3 напряжения U_i в фазах ИПН 3 сравниваются после соответствующего масштабирования с требуемыми значениями выходных напряжений U_j, поступающими с выходов задатчика 5. Проверяется выполнение условий (1) при инвертировании тока в фазах нагрузки либо (2) при отсутствии инвертирования:
|U₁|≥k_J(|U_j|+ΔU_к);
ΔU_ij = |U₁|-k_J(|U_j|+ΔU_к); (1)
S_ij=min(ΔU_ij) для j = const,
где ΔU_k≥0 - падение напряжения на ключах коммутатора;
S_ij - ближайшее по величине к требуемому в выходной фазе j напряжение в ИПН;
k_j - коэффициент запаса, учитывающий задержку на переключение ключей и скважность режимов ШИМ или ШИР.

|U₁|≥k_J(|U_j|+ΔU_к) при U₁ = signU_j;

S_ij=min(ΔU_ij) для j = const
To есть для формирования выходного напряжения в первую очередь ищется входное напряжение, минимально отличающееся от требуемого выходного и превышающее его по уровню. С целью уменьшения пульсаций в выходном напряжении при отсутствии решений для некоторых j, для них могут выбираться фазы первичного напряжения с просто минимально отличающейся от требуемой величины, например, с использованием зависимостей (3), (4).

Желательно, чтобы одновременно одна и та же фаза i входного напряжения не была подключена к нескольким фазам выходного напряжения для более равномерного распределения нагрузки. Однако это требование не обязательное.

На фиг. 4 схематично изображен блок сравнения. С целью упрощения на нем приведен вариант последовательного попарного сравнения. При параллельном попарном сравнении принципиально ничего не меняется, но потребуется не менее (k х m) элементов сравнения. Работа этого блока происходит циклами, задаваемыми синхронизатором 7. Блок управления 8 подключает с помощью коммутатора 9 фазы входного, а с помощью коммутатора 17 - фазы задаваемого напряжения от задатчика 5.

Для каждой фазы j задаваемого напряжения производится последовательный перебор фаз i (1≤i≤m) напряжений источника первичного напряжения 1. В блоках 10, 14 определяется знак, а в блоках 11, 15 - модуль соответственно первичного и задаваемого напряжений. В элементе сравнения 12 производится определение разности первичного и задаваемого напряжений с учетом k, и ΔU_k. В первом логическом блоке 13 анализируется возможность протекания тока из фазы i в фазу j, и, при необходимости, выдается сигнал запрета во второй блок логики 16. Во втором блоке логики 16 на основании информации о задействованных ключах коммутаторов 9 и 17, поступающей из блока управления 8, и уровнях превышения первичного напряжения над требуемым с выхода элемента сравнения 12 выбирается ключ для коммутации фазы j нагрузки с фазой i первичного напряжения. Управляющий сигнал о выбранном ключе выдается в схему управления и защиты 4. Затем операции повторяются для следующей фазы задаваемого напряжения и т.д.

Таким образом, в схему управления и защиты из блока сравнения 3 поступают сигналы, назначающие, с какой фазой i первичного источника 1 должна коммутироваться фaзa j нагрузки 6. На другую группу входов СУЗ 4 поступают сигналы с выходов коммутатора 2 (или входов нагрузки 6). В схеме управления н защиты 4 выполняются следующие действия. Во-первых, сравниваются требуемое и текущее значения сигнала, например напряжения, в фазе j и на основании этого определяется должен ли в данный момент времени быть открыт или закрыт ключ ij (с использованием методов ШИМ, ШИР и т.п.). Во-вторых, блокируется открытие ключа lj до тех пор, пока не закроется ранее открытый ключ ij, тем самым предотвращаются сквозные токи. В-третьих, обеспечивается закрытие ключа ij в случае, когда ток в нагрузке превышает допустимый, то есть выполняет функцию защиты от перегрузки и короткого замыкания в нагрузке. Очевидно, что при необходимости СУЗ 4 может выполнять и функцию регулятора тока в нагрузке, используя те же ключи коммутатора 2, при этом в качестве требуемых значений будут выступать уровни токов. Таким образом схема управления и защиты 4 формирует команду на открытие ключа ij в коммутаторе 2 при наличии признака выбора соответствующих фаз из БС 3, при одновременном наличии признака соответствующего отклонения регулируемого в нагрузке параметра и отсутствии запретов на включение этого ключа по признакам предотвращения сквозных токов и перегрузки.

По получении соответствующего набора команд от СУЗ 4 коммутатор 2 обеспечивает необходимое соединение фаз источника первичного напряжения 1 и нагрузки 6. Как уже указывалось выше, использование ключей двусторонней проводимости позволяет при прочих равных условиях уменьшить необходимое количество ключей коммутатора 2, не говоря уже о дополнительных сложностях в управлении составными ключами. Кроме того, при управлении составным ключом увеличивается общее время его вынужденного закрытия, так как при изменении полярности входного напряжения до закрытия ранее открытой половины ключа вторая его половина не может быть открыта во избежание сквозных токов.

Из описанного видно, что в предлагаемом техническом решении существенно уменьшается количество используемых силовых ключей за счет исключения промежуточных преобразователей первичной энергии и использования ключей двусторонней проводимости в силовом коммутаторе, а также за счет выполнения одним и тем же силовым ключом функций коммутирующего элемента, импульсного регулятора и элемента защиты. Вследствие уменьшения числа силовых ключей повышается надежность преобразователя, уменьшаются его габариты и масса, повышается к. п.д. Снижение пульсаций в выходном напряжении достигается как за счет того, что для коммутации выходной фазы используется наиболее близкая по уровню напряжения входная, так и за счет использования ключей двусторонней проводимости, что позволяет уменьшить время вынужденного закрытия ключа, вызывающего дополнительные вырезки в выходном напряжении.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. "Микроэлектронные электросистемы. Применения в радиоэлектронике". Под ред. Ю. И. Конева, М., "Радио и связь", 1987, стр. 77-79, 93-101, 104, 105, 125, 134-136, аналог.

2. "Динамика и энергетические характеристики следящих приводов прерывистого управления". Сборник статей под ред. С.В. Костина. Труды института, выпуск 227. М., Московский авиационный институт, 1971. Статья: В.П. Климов, И. Г. Паппе "Следящий привод постоянного тока с двигателем последовательного возбуждения", стр. 167-169, прототип способа.

3. Фрейдзон И.Р. "Судовые автоматизированные электроприводы и системы", изд. 4-е, перераб. и доп. Л., "Судостроение", 1988, стр. 147, прототип устройства, стр. 444-446,аналог.

4. "Руководство по проектированию элементов и систем автоматики. Пособие по курсовому и дипломному проектированию", вып. 3-й, под ред. чл. -корр. АН СССР проф. Б.Н. Петрова, М., "Оборонгиз", 1959, стр. 177.

Изобретение относится к области систем преобразования силового напряжения и может быть использовано, например, в устройствах питания электроприводов переменного тока и электроприводов на базе бесконтактных двигателей, а также в устройствах, предназначенных для преобразования одного вида напряжения в другой либо кондиционирования напряжения. Задачей, решаемой в результате применения предлагаемого технического решения, и техническим результатом является снижение габаритов, массы и повышение надежности вследствие уменьшения числа ключей, а также повышение кпд преобразователя. В качестве дополнительного эффекта достигается уменьшение пульсаций выходного напряжения. Способ преобразования напряжения заключается в том, что источник первичного напряжения коммутируют непосредственно на нагрузку. При этом направление протекания тока через нагрузку определяют порядком открывания ключей, уровень выходного напряжения регулируют временем открытия и закрытия ключей, сравнивают напряжения в фазах источника первичного напряжения с требуемыми значениями напряжений в фазах нагрузки и коммутируют фазы нагрузки с теми фазами первичного напряжения, текущее значение напряжения в которых по абсолютной величине минимально превосходит требуемое выходное, а для предотвращения короткого замыкания блокируют открытие очередных ключей до закрытия предыдущих, и при этом используют ключи двусторонней проводимости. Преобразователь напряжения, выполненный на основе указанного способа, содержит источник первичного напряжения, выходами соединенный со входами коммутатора, схему управления и защиты, первая группа входов которой соединена с выходами коммутатора, а выходы связаны с его входами управления, а также блок сравнения и задатчик. Причем первая группа выходов задатчика соединена с первой группой входов блока сравнения, вторая группа входом блока сравнения соединена с выходами источника первичного напряжения, выходы блока сравнения соединены со второй группой входов схемы управления и защиты. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ преобразования напряжения, при котором источник первичного напряжения коммутируют непосредственно на нагрузку, при этом направление протекания тока через нагрузку определяют порядком открывания ключей, уровень выходного напряжения регулируют временем открытия и закрытия ключей, а для предотвращения короткого замыкания блокируют открытие очередных ключей до закрытия предыдущих, отличающийся тем, что сравнивают напряжения в фазах источника первичного напряжения с требуемыми значениями напряжений в фазах нагрузки и коммутируют фазы нагрузки с теми фазами первичного напряжения, текущее значение напряжения в которых по абсолютной величине минимально превосходит требуемое выходное, и при этом используют ключи двусторонней проводимости. 2. Преобразователь напряжения, содержащий источник первичного напряжения, выходами соединенный со входами коммутатора, выходы которого подключены к нагрузке, а также схему управления и защиты, выходами связанную со входами управления коммутатором, первая группа входов которой соединена с выходами коммутатора, отличающийся тем, что в него введены задатчик и блок сравнения, причем первая группа выходов задатчика соединена с первой группой входов блока сравнения, вторая группа входов блока сравнения соединена с выходами источника первичного напряжения, выходы блока сравнения соединены со второй группой входов схемы управления и защиты, причем ключи коммутатора выполнены с двусторонней проводимостью, а схема управления и защиты формирует команду на открытие соответствующего ключа коммутатора, обеспечивающего необходимое соединение фаз источника первичного напряжения и нагрузки, при наличии признака выбора соответствующих фаз из блока сравнения, при одновременном наличии признака соответствующего отклонению регулируемого в нагрузке параметра и отсутствии запретов на включение этого ключа по признакам предотвращения сквозных токов и перегрузки.