Генератор многофазной системы ЭДС для мобильных устройств Российский патент 2018 года по МПК H03B27/00 H03B1/00 

I. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники. Устройство предназначено для генерирования многофазной системы напряжений требуемой частоты, величины напряжения и числа фаз.

II. Уровень техники

II.1 Сравнение с предшествующими уровнями техники

Применение многофазных двигателей в качестве приводов мобильных устройств имеет ряд известных преимуществ по сравнению с двигателями постоянного тока и однофазными двигателями переменного тока.

Предлагаемое устройство предназначено для генерирования многофазной системы ЭДС с требуемой частотой, амплитудой и требуемым числом фаз в результате преобразования постоянных напряжений источников питания в многофазную систему напряжений, по форме приближающихся к синусоидальной. Устройство может использоваться для питания многофазных двигателей, используемых в качестве приводов мобильных устройств. При этом используется отличный от других устройств (например, в инверторах на основе ШИМ-контроллеров) принцип генерирования напряжения, близкого по форме к синусоидальной. От устройства, описанного в [1] его отличает принцип выбора амплитуд дискретных импульсов, использование в качестве источников питания малогабаритных однотипных источники постоянного напряжения с одинаковыми значениями напряжения. Это позволяет применять устройство для питания многофазной нагрузки мобильных устройств.

В качестве многофазной нагрузки могут рассматриваться приводы устройств робототехники, приводы летательных аппаратов - квадрокоптеров и дронов, многофазные устройства специальной техники, частота питания которой отличается от промышленной, устройства промышленной автоматики. В качестве источников электрической энергии в многофазном источнике ЭДС могут использоваться малогабаритные однотипные источники постоянного напряжения с одинаковыми значениями напряжения - гальванические источники питания видов R, LR, SR, CR классов D, С, АА, AAA, РР3, аккумуляторные или конденсаторные батареи.

Устройство может использоваться как в стационарных, так и мобильных системах (робототехнике) для питания многофазных двигателей переменного тока, а также для питания других многофазных потребителей электрической энергии.

II.2 Цель изобретения.

Целью изобретения является разработка устройства для преобразования постоянного напряжения, получаемого от однотипных малогабаритных источников ЭДС - аккумуляторных. конденсаторных или гальванических источников питания, в многофазную систему ЭДС с заданной величиной напряжения, числом фаз и заданной частотой на основе использования импульсной техники для питания мобильной многофазной нагрузки.

II.3. Изобретательский уровень.

Предлагаемое устройство для генерирования многофазной системы напряжений для мобильных устройств отличается от описанного в работе [1] тем, что:

- питание устройства осуществляется от однотипных малогабаритных источников ЭДС (аккумуляторных, конденсаторных или гальванических источников питания) с одинаковыми значениями напряжения каждого источника;

- последовательное соединение источников положительной полярности и последовательное соединение источников отрицательной полярности позволяет получить кратные по отношению к напряжению одного источника значения напряжений положительной и отрицательной полярности, необходимых для аппроксимации синусоидальных функций напряжения каждой фазы последовательностью импульсных функций;

- напряжение в каждой фазе генератора формируется совокупностью прямоугольных импульсов напряжения заданной величины и одинаковой длительности TI, повторяющихся с заданной частотой. Число импульсов на периоде Т равно n=T/TI. Величина напряжения каждого импульса кратна величине напряжения одного источника питания;

- число источников питания равно n/2. Здесь n - число временных интервалов на периоде синусоидальной функции Т, аппроксимирующих синусоидальную функцию;

- число последовательно соединенных источников положительной полярности и число последовательно соединенных источников отрицательной полярности равно n/4;

- для получения требуемой величины напряжения ЭДС фаз многофазного источника на выходе устройства предусмотрен трансформатор, позволяющий получить требуемую величину напряжения;

- разработан блок коммутации, позволяющий подключать требуемые источники питания в требуемые на протяжении периода моменты времени на к выходным полюсам устройства. Очередность следования импульсов с требуемыми амплитудными значениями в каждой фазе генератора задается устройством управления и коммутационной схемой на управляемых ключах.

В качестве управляемых ключей могут использоваться симисторы, транзисторные ключи требуемой полярности и тиристоры. Коммутационная матрица может быть реализована по технологии изготовления больших интегральных схем (БИС).

III. Раскрытие сущности изобретения

III.1 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций

На фиг. 1 представлен отрезок синусоидальной функции с амплитудой E_m на интервале 0…2π. Рассмотрим участок этой функции на интервале 0…π/2, который аппроксимируется последовательностью k импульсных функций с кратными амплитудными значениями Е₁, 2Е₁…kE₁, где

Е₁ - амплитудное значение первого импульса, Е₂=2Е₁ - амплитудное значение второго импульса, E_k=kE₁ - амплитудное значение импульса с номером k. Пусть длительность каждого импульса TI одинакова для всех импульсов и равна

Установление зависимости амплитуды синусоиды и амплитуды первого импульса на основе равенства энергий

Потребуем, чтобы площадь, ограниченная синусоидальной функцией на интервале 0…π/2 и горизонтальной осью, была равна на этом же интервале площади, равной сумме площадей импульсных функций

Интеграл

Из соотношений (2) и (3) найдем выражение для амплитудного значения первого импульса:

Для E_m=1 и k=3 (n=12) получим , для k=4 (n=16) получим , для k=6 (n=24) Е1=4/7π~0.181

Установление значений амплитуд импульсов для случая n=12 и m=3

В таблице 1 записаны значения амплитуд импульсов для трех фаз - Фаза 1, Фаза 2, Фаза 3, которые аппроксимируют синусоидальные напряжения первой, второй и третьей фаз трехфазной системы. Первые три импульса, аппроксимирующие синусоидальное напряжение первой фазы на интервале 0-Т/4, показаны на рисунке фиг. 1. Принято, что период синусоидальной функции Т разбивается на 12 временных интервалов 1…12.

Значения напряжений Е₁, Е₂, Е₃ показаны на рисунке фиг. 1.

III.2. Структурная схема устройства

Структурная схема устройства показана на рисунке фиг. 2.

На рисунке фиг. 2 показаны следующие блоки устройства:

1. Блок управления. Обеспечивает циклическую, с заданным периодом Т, поочередную подачу управляющих импульсов, которые управляют открытием электронных ключей, расположенных в блоке коммутации;

2. Блок коммутации обеспечивает подключение к выходным клеммам блока коммутации источников, генерируемых блоком питания.

3. Блок питания генерирует постоянные напряжения заданной величины. Напряжения источников подключаются ключами, расположенными в блоке коммутации к выходным клеммам блока коммутации. Отличительным для предлагаемого устройства является то, что напряжения положительной и отрицательной полярности формируются в результате последовательного соединения одинаковых по величине напряжения источников. В качестве источников питания могут приниматься гальванические батареи, аккумуляторные и конденсаторные батареи и др.

4. Выходной трансформатор. Многофазный выходной трансформатор обеспечивает требуемую величину напряжения на выходе устройства.

На рисунке фиг. 3 показана структурная схема устройства с указанием внешних полюсов блоков, при помощи которых осуществляется связь блоков и управление устройством, а также показана нумерация блоков в соответствии с общей принципиальной схемой:

- 14 - блок управления;

15 - блок коммутации;

16 - блок питания;

17 - выходной трансформатор.

На рисунке фиг. 3 показаны полюсы, при помощи которых осуществляется взаимодействие блоков и полюсы 6 и 13, при помощи которых осуществляется управление устройством. Указаны номера полюсов в соответствии с общей принципиальной схемой устройства. Сигнал для запуска устройства вводится при помощи полюса 6. Ввод числа временных интервалов n, на которое разбивается период синусоидальной функции Т, осуществляется с использованием полюса 13. При помощи полюсов 8₁…8_n соединяются блок управления и блок коммутации, при помощи полюсов 11₁…11_n/2 блок питания подключается к блоку коммутации, при помощи полюсов 10₁…10_m соединяются блок коммутации и выходной трансформатор, полюсы 12₁…12_m являются выходными, к ним подключается нагрузка.

III.3 Блок управления

Блок управления 14 предназначен для формирования управляющих импульсов в результате создания последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности TI и подачи этих сигналов на управляющие электроды управляемых ключей 9, расположенных в блоке коммутации. Блок формирует циклическую с периодом Т последовательность импульсов. Величина Т равна периоду синусоидальной функции. Число импульсов на периоде Т равно n, длительность одного импульса TI. Значения n и TI выбираются исходя из соображений обеспечения требуемой погрешности аппроксимации синусоидальной функции последовательностью прямоугольных импульсных функций и стоимостью реализации устройства. С увеличением n и уменьшением TI снижается погрешность и увеличивается стоимость.

На рисунке фиг. 4 показаны значения управляющих импульсов для двух моментов времени - четвертый и пятый по счету импульсы в пределах одного периода Т. На рис. 4а показан четвертый по счету импульс. На интервале времени 3TI≤t≤4TI значение управляющего импульса равно 1, а для остальных интервалов времени значение управляющего импульса равно 0. На рис. 4б показан следующий за четвертым пятый импульс, действующий на интервале времени 4TI≤t≤5TI. На этом интервале времени значение управляющего импульса равно 1, а для остальных интервалов времени, в пределах периода Т, равно 0. В этих выражениях TI - значение временного интервала на котором действует импульс. Справедливо соотношение T=nTI, где n - количество временных интервалов на одном периоде Т. Для синусоидальной функции, показанной на рисунке фиг. 1 число временных интервалов равно 12.

При помощи электронных ключей, расположенных в блоке коммутации, источники ЭДС, генерируемые блоком питания, подключаются в заданные блоком управления моменты времени в соответствии с заданным алгоритмом к выходным полюсам блока коммутации. Коммутация осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна TI. Число k дискретных значений ЭДС для конкретных значений n=12 и числа фаз m=3 приведено в таблице 1.

Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 5.

Блок реализован на элементах 1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3 числа импульсов на периоде Т периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с числом выводов, равном n - числу импульсных функций на периоде Т. Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6. По входу 13 осуществляется запись кода числа временных интервалов n.

Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 6 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 13 устройства, выходы дешифратора 7 подсоединены к входам 8₁…8_n, при помощи которых блок управления соединяется с блоком коммутации.

III.4 Блок коммутации

При помощи блока коммутации 15 источники напряжений, поступающие от блока питания, подключаются в соответствующие интервалы времени

(к-1)TI≤t≤kTI, k=1, 2, … n

к выходным полюсам блока 10₁…10_m. В записанном выражении TI - длительность временного интервала одного импульса напряжения, n - количество временных интервалов на периоде Т, m - количество фаз генератора. Коммутация осуществляется при помощи управляемых электронных ключей. Импульсы, управляющие открытым состоянием каждого электронного ключа, поступают от блока управления посредством полюсов 8₁…8_n. Первый импульс от блока управления поступает в блок коммутации посредством полюса 8₁, второй импульс посредством полюса 8₂ и т.д.

Принципиальная схема блока коммутации для трехфазного источника m=3 для случая, когда число временных интервалов n на периоде Т равно 12 показана на рисунке фиг. 6. На принципиальной схеме входными полюсами, от которых поступают управляющие импульсы на открытие электронных ключей, являются полюсы 8₁…8₁₂. Посредством полюсов 11₁..11₆ к блоку коммутации подключаются источники напряжения E₁…Е₆. При этом величина E₁ определяется напряжением одного источника питания, E₁=E, Е₂=2Е₁ (r=2), Е₃=3Е₁ (r=3), Е₄=-Е₁ (r=4), Е₅=-Е₂ (r=5), Е₆=-Е₃ (r=6). Коммутация осуществляется при помощи управляемых электронных ключей. На принципиальной схеме показаны ключи 9p, r, s, где p - номер временного интервала от 1 до 12, r - номер источника питания, s - номер фазы от 1 до m. Выходными являются полюсы 10₁ для напряжения первой фазы, 10₂ для напряжения второй фазы, 10₃ для напряжения третьей фазы.

III.5 Блок питания

Блок питания 16 предназначен для питания генератора многофазной системы ЭДС при помощи малогабаритных однотипных источников постоянного напряжения с одинаковыми значениями напряжения. Это могут быть гальванические источники питания видов R, LR, SR, CR классов D, С, AA, AAA, РР3, аккумуляторные или конденсаторные батареи с одинаковыми напряжениями каждого элемента. На рисунке фиг. 7 показана принципиальная схема блока питания для n=12? М=3. Блок питания посредством полюсов 11₁, 11₂, 11₃, 11₄, 11₅, 11₆ подключается к блоку коммутации. Источники питания 18₁…18_n/4 положительной полярности подключаются между собой последовательно. Для n=12 это источники 18₁, 18₂, 18₃. Источники отрицательной полярности 18_n/4+1…18_n/2 соединяются последовательно. Для n=12 это источники 18₄, 18₅, 18₆. К полюсу 11₁ подключается один источник питания с напряжением Е₁=Е, к полюсу 11₂ подключаются два последовательно соединенных источника так, что их напряжение равно Е₂=2Е₁, к полюсу 11_3, подключаются три последовательно соединенных источника с напряжением каждого источника Е₁, их общее напряжение равно Е₃=3E₁. К полюсу 11₄ подключается источник питания с напряжением Е₄=-Е, к полюсу 11₅ подключаются два последовательно соединенных источника с напряжением каждого источника - Е, их общее напряжение E₅=-2E₁, к полюсу 11₆ подключаются три последовательно соединенных источника с напряжением каждого - Е, их общее напряжение равно Е₆=-3Е. Это позволяет получить напряжения, кратные напряжению одного источника Е. Последовательность источников с этими значениями напряжений позволяет аппроксимировать синусоидальные напряжения фаз. В таблице 1 записаны значения напряжений импульсных источников для числа временных интервалов n=12 и числа фаз m=3.

III.6 Трансформатор

Трансформатор 17 применяется для приведения уровней выходных напряжений к требуемым величинам. Могут применяться m однофазных трансформаторов, либо один многофазный трансформатор. На рисунке фиг. 8 показаны две возможные схемы реализации выходного трехфазного трансформатора. На рисунке фиг. 8а показан трехфазный трансформатор, реализованный при помощи трех однофазных трансформаторов. На рисунке фиг. 8б показан один трехфазный трансформатор, три пары входных и выходных катушек трансформатора располагаются на трех стержнях магнитопровода. Это могут быть стандартные трансформаторы, параметры которых близки к требуемым, либо специально сконструированные трансформаторы. Параметры трансформатора (коэффициент трансформации, к.п.д., величины входного и выходного напряжения) задаются в каждом случае исходя из технических характеристик устройства. Полюсами 10₁…10_m трансформатор подключается к одноименным полюсам блока коммутации, полюсы 12₁…12_m являются выходными полюсами устройства. При помощи этих полюсов снимаются переменные напряжения фаз трансформатора. К ним подключается нагрузка многофазного источника ЭДС.

IV. Краткое описание чертежей

Фиг. 1 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций

Фиг. 2 Структурная схема устройства

Фиг. 3 Структурная схема с указанием внешних полюсов

Фиг. 4 Графики управляющих импульсов

Фиг. 5 Принципиальная схема блока управления

Фиг. 6 Принципиальная схема блока коммутации для трехфазного источника m=3, n=12

Фиг. 7 Принципиальная схема блока питания для n=12

Фиг. 8 Принципиальная схема выходного трансформатора

V. Осуществление изобретения

Описание работы устройства. В исходном состоянии на регистре 5 по входу 13 записан код числа временных интервалов n. На это число интервалов разбивается период синусоидальной функции Т при аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций. На счетчике 3 хранится код нуля (вход сброса в ноль на счетчике 3 на фиг. 5 не показан). Работа устройства начинается после подачи пускового сигнала по входу 6 логического элемента И 2. После подачи пускового сигнала импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 1 через открытый элемент И 2 начинают поступать на вход счетчика 3. Код с выхода счетчика 3 поступает на вход дешифратора 7. На выходе дешифратора появляется единичный сигнал только на одном из n его выходов. Единичный сигнал на i-ом (i=1…n) выходе дешифратора 7 подается на вход блока коммутации посредством одного из полюсов 8_i, который подсоединен к управляющим электродам управляемых ключей 9p, r, s, где p - номер временного интервала от 1 до 12, r - номер источника питания, s - номер фазы от 1 до m. Входы управляемых ключей подключаются полюсами 11_i, i=1…n/2, к источникам напряжения E₁…E_n/2, а выходы ключей 9p, r, s 12_i,j,p к выходным полюсам блока коммутации 10₁…10_m. В каждый временной интервал к каждому выходному полюсу блока коммутации 10₁…10_m подключается только один источник постоянного напряжения из набора E₁…E_n/2. Значения напряжений источников равны E₁=E, Е₂=2Е, Е₃=3Е, Е₄=-Е, Е₅=-Е₂=-2Е, Е₆=-Е₃=-3Е. На принципиальной схеме блока коммутации рисунок фиг. 6 показаны коммутации для трехфазного источника ЭДС, когда число временных интервалов на периоде Т равно n=12. Согласно табл. 1, в первый интервал времени к полюсу 10₁ (фаза 1) подключается источник ЭДС E₁=E, к полюсу 10₂ (вторая фаза) подключается источник ЭДС Е₂=2Е, к полюсу 10₃ (третья фаза) подключается источник Е₆=-Е3=-3Е. Для других интервалов от 2 до 12 коммутации определяются аналогично. Для получения напряжений Е₂ и Е₃ используется последовательно соединение одинаковых по величине напряжения источников с напряжением Е. Это показано на рисунке фиг. 7. Напряжение Е₄ снимается с источника ЭДС с величиной напряжения Е при его инверсном включении, т.е. Е₄=-Е. Напряжения Е₅ и Е₆ получаются в результате последовательного соединения инверсно включенных источников с напряжением Е. В результате Е₄=-Е, Е₅=-2Е, Е₆=-3Е. Это показано на рисунке фиг. 7.

Подключение источников питания 18₁…18_n/2 с напряжениями E₁…E_n/2 к выходным полюсам блока коммутации 10₁…10_m осуществляется при помощи управляемых электронных ключей. Сигналы, управляющие на момент времени TI=T/n открытым состоянием ключа, поступают с выхода дешифратора блока управления посредством полюсов 8₁…8_n. Блоком управления задается очередность следования управляющих импульсов. За управляющим импульсом от формирователя импульсов 8_j, j=1…n следует управляющий импульс от формирователя импульсов 8_j+1, пока j+1 не станет равным n. После прекращения действия импульса с выхода 8_n включается импульс 8₁. При этом текущее значение счетчика числа импульсов 3 совпадет с заданным при помощи входа 13 числом n, счетчик обнуляется и процесс повторяется.

Напряжения фаз, снимаемые с полюсов 10₁…10_m, поступают на вход многофазного трансформатора. Многофазный трансформатор может быть выполнен в виде m однофазных трансформаторов, рисунок фиг. 8а, либо в виде одного многофазного трансформатора, первичные и вторичные катушки фаз которого располагаются на m стержнях многофазного трансформатора, рисунок фиг. 8б. Напряжения с вторичных (выходных) катушек трансформатора посредством полюсов 12₁…12_m поступают к многофазной нагрузке.

VI. Литература

1. Патент №2016127384, МПК Н05В 1/00, 2017. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для генерирования многофазной системы напряжений с заданной частотой и заданным числом фаз на основе использования импульсной техники. Технический результат заключается в преобразовании постоянного напряжения, получаемого от малогабаритных источников питания, в многофазную систему ЭДС с заданным числом фаз и заданной частотой. Генератор многофазной системы ЭДС содержит: блок управления, блок коммутации, блок питания и выходной трансформатор. Блок управления содержит: генератор тактовых импульсов, элемент И, счетчик, схему сравнения, регистр, кнопку запуска, дешифратор. Блок коммутации состоит из m × n (m - количество фаз устройства, n - количество временных интервалов на периоде синусоидальной функции Т) управляемых электронных ключей, управляющие импульсы на которые поступают от блока управления, а коммутируемые при помощи ключей напряжения поступают от блока питания. Блок питания состоит из n/2 источников питания, при этом в качестве источников питания могут использоваться малогабаритные гальванические элементы, аккумуляторные или конденсаторные батареи с одинаковыми значениями напряжений. 8 ил., 1 табл.

Генератор многофазной системы ЭДС для мобильных устройств содержит блок управления 14, состоящий из генератора тактовых импульсов (ГТИ) 1, элемента И 2, счетчика 3, схемы сравнения 4, регистра 5, кнопки запуска 6, дешифратора 7, вход устройства 13, выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, к второму входу элемента И 2 подключена кнопка запуска устройства 6, выход элемента И 2 подсоединен к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к первому входу схемы сравнения 4, выход схемы сравнения 4 соединен со вторым входом счетчика 3, к второму входу схемы сравнения 4 подсоединен регистр 5, по входу 13 которого заносится число временных интервалов n на периоде Т, i-й выход (i=1, …, n) дешифратора 7 подсоединен к i-у входу 8i (i=1, …, n) блока коммутации 15, полюсы 8₁…8_n соединены с управляющими электродами управляемых ключей, расположенных в блоке коммутации 15, состоящем из m × n (m - количество фаз устройства, n - количество временных интервалов на периоде синусоидальной функции Т) управляемых электронных ключей 9 p,r,s (где р - номер временного интервала от 1 до n, r - номер источника питания от 1 до n/2, s - номер фазы от 1 до m) управляющие импульсы на которые поступают от блока управления при помощи полюсов 8₁…8_n, коммутируемые при помощи ключей напряжения поступают от блока питания 16 посредством полюсов 11₁…11_n/2 и при открытом состоянии ключа передаются к полюсам 10₁…10_m, являющимися выходными для блока коммутации, блок питания 16, состоящий из n/2 источников питания, при этом n/4 источников 18₁…18_n/4 с положительными значениями напряжения соединены последовательно и n/4 источников с отрицательными значениями напряжения 18_n/4+1…18_n/2 соединены последовательно, эти группы элементов соединены между собой последовательно и при помощи полюсов 11₁…11_n/2 подключаются к блоку коммутации, выходной трансформатор 17, содержащий расположенные на ферромагнитном магнитопроводе m первичных катушек, которые полюсами 10₁…10_m подключаются к блоку коммутации, и m вторичных катушек, которые полюсами 12₁…12_m подключается к нагрузке устройства отличающийся: принципом построения последовательности импульсных функций, основанном на равенстве площадей в координатах e-t (напряжение - время), описываемых синусоидальной функцией и последовательностью импульсных функций с кратными значениями амплитуд по отношению к амплитуде первого импульса, что равносильно равенству их энергий, в качестве источников питания 18₁…18_n/2 могут использоваться малогабаритные гальванические элементы, аккумуляторные или конденсаторные батареи с одинаковыми значениями напряжений элементов, последовательное соединение элементов 18₁…18_n/4 положительной полярности и элементов 18_n/4+1…18_n/2 отрицательной полярности позволяет получить напряжения с кратными по отношению к напряжению Е одного элемента значениями, что позволяет реализовать заявленный принцип аппроксимации синусоидальных функций напряжений фаз последовательностями импульсных функций, использование выходного многофазного трансформатора или совокупности m однофазных трансформаторов в блоке 17 позволяет получить многофазную систему напряжений с требуемой величиной напряжения питания многофазной нагрузки.