СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H02M9/00 G06G7/25 

Изобретение относится к области силовой электроники и вычислительной техники и может использоваться в интеллектуальных системах электропитания, воспроизводящих различные виды преобразований в зависимости от задающих информационных сигналов.

Известен способ преобразования напряжения, состоящий в том, что формируют опорный сигнал, синфазный с питающим напряжением, и сравнивают с сигналом управления, а в моменты равенства осуществляют включение управляемых ключей и формируют кусочно-разрывную функцию выходного напряжения [1, 2].

Известный способ преобразования напряжения обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку воспроизводит только функцию выпрямления.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому способ преобразования напряжения путем воспроизведения бинарных операций предикатной алгебры выбора (ПАВ)
V (у₁, у₂)=у₁•I(х₁-х₂)+у₂•I(х₂-х₁),

ПАВ-дизъюнкции (V) и ПАВ-конъюнкции () одноканальным релятором, на переключательный канал которого, образованный управляемыми ключами замыкающего и размыкающего типов, подают предметные переменные y₁, y₂, а предикатные переменные x₁, x₂ подают на входы дифференциального компаратора, который формирует единичные функции управления переключательным каналом [3, 4].

Известный способ обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку воспроизводит только функции однополупериодного и двухполупериодного выпрямления при условиях отождествления предметных и предикатных переменных y₁=у₂=x₁, x₂=0.

Цель предлагаемого изобретения состоит в расширении функциональных возможностей за счет повышения концентрации воспроизводимых преобразований.

Поставленная цель достигается тем, что предметные переменные у₁, у₂ отождествляют с питающими напряжениями е₁(t), е₂(t) таким образом, что y₁= e₁(t), y₂=e₂(t), предикатные переменные x₁, x₂ отождествляют с опорным сигналом u₀(t) и сигналом управления u_y таким образом, что х₁=u₀(t), x₂=u_y, а выходное напряжение U формируют в соответствии с предикатно-логической функцией

в которой вид воспроизводимой ПАВ-операции задают двухразрядным цифровым кодом D₁D₀.

На фиг. 1 показана схема устройства, реализующего предлагаемый способ преобразования напряжений, на фиг.2 - диаграммы, поясняющие способ.

Устройство выполнено на базе одноканального релятора 1, содержащего дифференциальный компаратор 2, который формирует единичную функцию I(х) управления при подаче на компараторные входы предикатных переменных x₁, x₂, логический элемент 3, на входы которого подают трехразрядный цифровой код I(x)D₁D₀, переключательный канал 4, образованный управляемыми ключами замыкающего 5 и размыкающего 6 типов, управляющие входы которых подключены к выходу логического элемента 3. К переключательному каналу 4 одноканального релятора 1 подключены источники 7, 8 питающих напряжений e₁(t), e₂(t) и нагрузка 9. К цифровым и компараторным входам одноканального релятора 1 подключен блок выбора режима 10, который формирует информационные сигналы, аналоговые (х₁ и х₂) и цифровые (D₁ и D₀), задающие режим и вид преобразования питающих напряжений.

Одноканальный релятор 1 воспроизводит предикатно-логическую функцию

равную либо V (у₁, у₂) при D₁=1,D₀=1, либо при D₁=1, D₀=0, либо нулю при D₁=0 и произвольном значении цифрового сигнала D₀.

Логический элемент 3, как видно из (1), по цифровому сигналу D₁ блокирует (D₁=0) или разрешает (D₁=1) выполнение ПАВ-операций, по цифровому сигналу D₀ обеспечивает взаимозамещение ПАВ-операций за счет повтора (D₀= 1) или инвертирования (D₀₌0) значений единичной функции I(х), формируемой дифференциальным компаратором 2.

Если предметными переменными y₁, у₂ являются питающие напряжения е₁(t), e₂(t), а предикатными переменными х₁, х₂ - опорный сигнал u₀(t) и сигнал управления u₁, то ПАВ - функция (1) определяет характер изменения напряжения на нагрузке 9
U=W(y₁, y₂)
и воспроизводит логико-алгебраическую (ЛА) модель реализуемого преобразования.

На переключательных входах одноканального релятора 1 возможны следующие, наиболее значимые для практических приложений, сочетания предметных переменных
у₁=e(t), y₂=-e(t),
y₁=e(t), y₂=0,
где e(t)=e(t+T) - напряжение источников питания 7, 8, переменное, с периодом изменения Т, или постоянное е(t)=±Е.

Опорный сигнал должен формироваться в виде произведения двух функций
u₀(t)=U₀(t)•Sign[e(t)], (2)
где U₀(t) - модуляционная функция, определяющая форму опорного сигнала;
- знаковая функция, синхронизирующая опорный сигнал с питающим напряжением.

При у₁=е(t),y₂=-e(t) источники 7, 8 формируют противофазные питающие напряжения, базовые ПАВ-операций принимают вид
V (у₁, у₂)=е(t)•([I(х₁-х₂)-I(х₂-х₁)]=e(t)•Sign(x₁-х₂),

а ПАВ-функция (1) воспроизводит ЛА-модель двухполупериодного выпрямления (преобразование AC-DC)

которая показывает, что взаимозамещение базовых ПАВ-операций цифровым сигналом D₀ сопровождается изменением полярности выпрямленного напряжения.

Блок выбора режима 10 обеспечивает регулируемое выпрямление заданием цифровых сигналов D₁=1, D₀=1 или D₀=0 в зависимости от требуемой полярности выпрямляемого напряжения, формированием синфазного с питающим напряжением опорного сигнала развертывающей формы в соответствии с (2) и фиксацией сигналом управления u_у, рабочей точки на регулировочной характеристике, вид которой определяется законом изменения модуляционной функции U₀(t). Коммутации ключей замыкающего 5 и размыкающего 6 типов переключательного канала 4 осуществляются в моменты равенства текущих значений опорного сигнала u₀(t) величине сигнала управления u_у.

Для реализации нерегулируемого выпрямления достаточно выполнить условие U₀(t)=U₀=const, при котором блок выбора режима 10 формирует опорный сигнал в виде меандра, обеспечивающего коммутацию ключей замыкающего 5 и размыкающего 6 типов переключательного канала 4 в моменты переходов питающего напряжения е(t) через нулевые значения. Тогда ЛА-модель (3) вырождается в модуль функцию

инвертированную -|e(t)| или неинвертированную |e(t)| в зависимости от значения цифрового сигнала D₀ и определяющую предельную величину выпрямленного напряжения.

Формирование блоком выбора режима 10 цифрового сигнала D₀ в виде единичной функции
D₀=I[е(t+nТ)] при n=2, 3, 4...

позволяет трансформировать ПАВ-функцию (4) в ЛА-модель преобразования АС-АС
W(y₁, y₂) = D₁•|e(t)|•Sign[e(t+nT)], (5)
которая показывает возможность функционирования одноканального релятора 1 в режиме преобразования частоты и формирования на нагрузке 9 переменного напряжения с частотой, в "n" раз меньшей частоты напряжения источников питания 7, 8.

При y₁=Е, у₂=-E напряжения источников питания 7, 8 постоянны по величине и противоположны по знаку, базовые ПАВ-операции принимают вид


а ПАВ-функция (1) воспроизводит ЛА-модель автономного инвертирования (преобразование DC-AC)

которая показывает, что взаимозамещение ПАВ-операций цифровым сигналом D₀ сопровождается изменением выходного переменного напряжения на противофазное напряжение.

Блок выбора 10 обеспечивает нерегулируемое преобразование DC-AC заданием цифровых сигналов D₁=1, D₀=1, или D₀=0, фиксацией предикатной переменной х₂= u_y= 0 и формированием опорного сигнала в виде периодической функции произвольной формы
u₀(t)=U₀(t)=U₀(t+T_П),
например меандра, определяющей частоту f_П=1/Т_П коммутаций переключательного канала 4. На нагрузке 9 при этом формируется переменное напряжение прямоугольной формы с амплитудой Е и периодом повторения Т_П.

Для широтно-импульсного регулирования выходного напряжения блок выбора режима 10 должен обеспечить формирование не только опорного сигнала вида

но и цифровых сигналов в виде единичных функций

D₁=I[u₀(t)-u_y].

Тогда ПАВ-функция (6) принимает вид

а процесс формирования напряжения на нагрузке 9 поясняют временные диаграммы, приведенные на фиг.2.

Как видно из (7), базовые ПАВ-операции выполняются, а на нагрузке 9 формируется напряжение, равное +Е или -Е, только при u₀(t)>u_y. На интервалах u₀(t)<u_y замыкающий 5 и размыкающий 6 ключи переключательного канала 4 блокированы, поскольку D₁=0, и напряжение на нагрузке 9 отсутствует. Изменение цифрового сигнала D₀ обеспечивает периодическое взаимозамещение базовых ПАВ-операций , которое сопровождается изменением полярности выходного напряжения U на нагрузке 9, поскольку
U=V(y_1, y₂)=+Е при D₀=1,

Изменение сигнала управления в диапазоне 0≤u_y≤2•U₀ сопровождается изменением длительности полуволны переменного напряжения от 0 до Т_П/2 и напряжения на нагрузке 9 от нулевого до максимального значений.

При у₁=Е, у₂=0, т.е. при наличии одного источника питающего напряжения, в данном случае источника 7, базовые ПАВ-операции принимают вид


а ПАВ-функция (1) воспроизводит ЛА-модель широтно-импульсного регулирования постоянного напряжения (преобразование DC-DC)

которая показывает, что взаимозамещение базовых ПАВ-операций цифровым сигналом D₀ обеспечивает выбор вида регулировочной характеристики, прямого, когда увеличение сигнала управления u_y вызывает увеличение напряжения на нагрузке 9, или инверсного, когда увеличение сигнала управления u_y вызывает уменьшение выходного напряжения.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает достижение положительного эффекта, который заключается в расширении функциональных возможностей за счет реализации различных видов преобразования напряжения, таких как AC-DC, АС-АС, DC-AC и DC-DC, осуществляемых одноканальным релятором.

Список источников
1. Писарев А.Л., Деткин Л.П. Управление тиристорными преобразователями. - М.: Энергия, 1975, с.16.

2. Энергетическая электроника: Справочное пособие: Пер. с нем./ Под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 167.

3. Волгин Л.И., Ребане Р.-В.П. Аналоговый логический элемент для воспроизведения линейно-разрывных функций (его варианты). А. с. СССР 1270777, кл. G 06 G 7/25.

4. Волгин Л.И., Ефимов А.В., Зарукин А.И. Аналоговые логические элементы // Радиотехника, 1987, 10. С. 23-26.

Использование: в интеллектуальных системах электропитания, воспроизводящих различные виды преобразований в зависимости от задающих информационных сигналов. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет повышения концентрации воспроизводимых преобразований. Способ преобразования напряжения состоит в воспроизведении бинарных операций предикатной алгебры выбора (ПАВ)
V (у₁,у₂)=у₁•I(х₁-х₂)+у₂•I (х₂-х₁),

ПАВ-дизъюнкции (V) и ПАВ-конъюнкции (Λ) одноканальным релятором, на переключательный канал которого, образованный управляемыми ключами замыкающего и размыкающего типов, подают предметные переменные у₁, у₂, а предикатные переменные х₁, х₂ подают на входы дифференциального компаратора, который формирует единичные функции управления переключательным каналом. Предметные переменные у₁,у₂ отождествляют с питающими напряжениями e₁(t), e₂(t) таким образом, что у₁=e₁(t), y₂=e₂(t), предикатные переменные х₁, х₂ отождествляют с опорным сигналом u₀(t) и сигналом управления u_y таким образом, что х₁=u₀(t), х₂=u_y, а выходное напряжение U формируют в соответствии с предикатно-логической функцией в которой вид воспроизводимой ПАВ-операции задают двухразрядным цифровым кодом D₁D₀. 2 ил.

Способ преобразования напряжения путем воспроизведения бинарных операций предикатной алгебры выбора (ПАВ)
V (у₁, у₂)= у₁•I (х₁-х₂)+у₂•I(х₂-х₁),

ПАВ-дизъюнкции (V) и ПАВ-конъюнкции (Λ) одноканальным релятором, на переключательный канал которого, образованный управляемыми ключами замыкающего и размыкающего типов, подают предметные переменные у₁, у₂, а предикатные переменные х₁, х₂ подают на входы дифференциального компаратора, который формирует единичные функции управления переключательным каналом, отличающийся тем, что предметные переменные у₁, у₂ отождествляют с питающими напряжениями e₁(t), e₂(t) таким образом, что у₁= e₁(t), y₂= e₂(t), предикатные переменные х₁, х₂ отождествляют с опорным сигналом u₀(t) и сигналом управления u_y таким образом, что х₁= u₀(t), х₂= u_y, а выходное напряжение U формируют в соответствии с предикатно-логической функцией

в которой вид воспроизводимой ПАВ-операции задают двухразрядным цифровым кодом D₁D₀.