Генератор 4xN-фазной системы напряжений на основе функций меандра MeS и MeC Российский патент 2024 года по МПК H03B27/00 

I. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, импульсной техники, силовой электроники. Рассматривается устройство, позволяющее генерировать 4×N систему напряжений (токов), где N=1. 2. 3. …, на основе ступенчатой функции меандра с разной полярностью импульсов. В качестве первичного источника энергии для генерирования периодического источника ЭДС могут использоваться источники постоянной ЭДС с одинаковым напряжением Е.

I.1 Описание функций MeS и МеС

На основе функции меандра образуем знакопеременную периодическую функцию, подобную функции синуса. Функция характеризуется амплитудой А и периодом 2Т, зависит от независимой переменной х. Обозначим эту функцию символом MeS(A,x). Для упрощения записи можно также записать эту функцию в виде MeS, или MeS1. Символ 1 в записи MeS1 подчеркивает то, что на интервале периода 2Т укладывается один период функции.

Функцию MeS(A,x) или MeS1(A,x) можно записать в виде:

График этой функции показан на рисунке фиг. 1.

Фиг. 1 Графики функции MeS или MeS1

На рисунке фиг. 1а, б показаны графики функции MeS, или MeS1. В качестве независимой переменной х может приниматься переменная t, имеющая размерность времени t [сек], либо фазовый угол ωt, который измеряется в градусах или радианах. На рисунках фиг. 2а, 6 показана функция МеС, которая противоположна функции MeS, т.е. МеС=-MeS. Функции МеС и MeS характеризуются амплитудой А и периодом 2Т, зависят от независимой переменной х. Функцию МеС(А,х) можно также записать в виде МеС1(А,х). Символ 1 указывает на то, что на интервале 2Т укладывается один период функции. В качестве независимой переменной х может приниматься переменная t, имеющая размерность времени t [сек], рис. фиг. 2а, либо фазовый угол ωt, который измеряется в градусах или радианах, фиг. 2б.

Функция МеС определяется соотношениями:

, или

Фиг. 2 Графики функции МеС Функции MeS и МеС можно записать в виде:

В этих выражениях обозначим у=sinx для (3) и у=sin(x+T) для (4). Тогда для выражения (3) функция sin у определится равенством:

Для выражения (4) функция sign[y] определится равенством:

Разложение функции MeS1 в ряд Фурье имеет вид:

Функции MeS и МеС являются взаимодополняющими, так как MeS+МеС=0.

Функции MeS и МеС могут быть представлены последовательностями импульсных функций, как это показано на рисунке фиг. 3 для функции MeS.

Фиг. 3 Представление функции MeS последовательностью 16 импульсных функций

На рисунке фиг. 3 показана аппроксимация функции MeS1 последовательностью 16 импульсных функций, при этом 8 импульсных функций с номерами 1…8 аппроксимируют полуволну функции MeS1 с положительными амплитудами, и 8 импульсов с номерами 9…16 аппроксимируют полуволну функции MeS1 с отрицательными амплитудами. Представим функцию MeS1 вектором Элементами вектора являются амплитудные значения импульсов, аппроксимирующих функцию MeS1. Для показанной на рисунке фиг. 3 аппроксимации запишем:

1.2 Требования, предъявляемые к импульсной симметричной многофазной системе

Симметричная импульсная многофазная система напряжений (токов) должна удовлетворять следующим требованиям:

1) Сумма мгновенных значений напряжений (токов) многофазной симметричной системы в любой момент времени должна равняться нулю:

где n - количество фаз многофазной системы, e_k - напряжение (ЕДС) фазы с номером k, х - независима переменная, которая может быть представлена либо переменной x=t, где t - время, имеющее размерность сек, либо x=ωt, переменная, имеющая размерность фазового угла, измеряемого в градусах или радианах. При использовании аппроксимации функции последовательностью импульсных функций с амплитудами E_k выражение (8) запишется:

где r=1, 2…р, р - число импульсов на интервале 0…2π.

Из (8) и (9) следует, что сумма мгновенных значений напряжений фаз для любого значения х=rθ в пределах х=0…2π должна равняться нулю.

2) Угол сдвига фаз многофазной системы должен равняться величине:

. где m- количество фаз многофазной системы;

3) Отношение числа импульсов n на периоде T, при представлении периодической функции последовательностью импульсных функций, к числу фаз m многофазной системы, должно быть целым числом:

Если число членов ряда импульсных функций на периоде обозначить n, а число фаз числом m, то число к=n/m должно быть целым. Этим определяется возможность реализации фазового сдвига последовательностей фаз. Если число к не будет целым, то реализовать сдвиг фаз при импульсной аппроксимации будет невозможно.

Например, для четырехфазной системы m=4 допустимыми значениями числа импульсов на периоде будут значения n=4, 8, 12, 16 и т.д. На рисунке фиг. 3 принято значение n=16.

В таблице 1.1 представлены допустимые для построения многофазной системы значения числа k=n/m для многофазных систем с числом фаз 3, 4, 6, 8, 12.

В таблице 1.1 представлена зависимость фазового сдвига, на который сдвигаются последовательности импульсы фаз, в зависимости от числа фаз n и количества импульсов n на периоде. Сдвиг измеряется в количестве импульсов. Так, для трехфазного генератора допустимыми значениями количества импульсов на периоде являются значения 12, 24, 36… Этим значениям соответствуют следующие значения коэффициента k, равные 4, 8, 12, … Например, для трехфазного генератора, фазные напряжения которого аппроксимируются последовательностями импульсов, состоящими из 12 импульсов, последовательности импульсов фаз должны быть сдвинуты на 4 импульса. При этом длительность одного импульса равна 2π/12=30°, фазовый сдвиг равен 4×30°=120°.

1.3 Построение схем соединения идеальных источников ЭДС

При выполнении соотношений (8) и (9) источники многофазной системы могут быть соединены по схеме многолучевой звезды или многоугольника. Для восьмифазной системы эти схемы имеют вид, показанный на рисунках фиг. 4. При выполнении равенств (8) и (9) для схем фиг. 4 выполняются законы Кирхгофа. Сумма токов в узле 0 равна нулю, фиг. 4а, сумма напряжений источников ЭДС в контуре, образованном источниками, равна нулю., фиг. 4б.

Фиг. 4 Схемы соединения источников ЭДС в многолучевую звезду (а) и многоугольник (б)

1.4 Запись векторов амплитудных значений импульсов, аппроксимирующих четырехфазную систему ЭДС

Функции MeS и МеС могут быть использованы для построения многофазных электрических систем напряжений (токов). При построении многофазной электрической системы должны выполняться условия:

1) Начальные фазы симметричной системы напряжений должны различаться на угол, равный:

В этом выражении m-количество фаз многофазной системы. При θ<0 многофазная система называется системой с прямой последовательностью фаз, при θ>0 многофазная система называется системой с обратной последовательностью фаз;

2) Для симметричной многофазной системы в любой момент времени t должны выполняться условия (8)…(11).

Так, уравнения (8) и (9). выполняются для многофазных систем на основе функций MeS и МеС для значений m=4, 8, 12, 16…, или m=4⋅р, где р=1, 2, 3, 4…. В таблице 1.2 записаны мгновенные значения напряжений четырехфазной системы напряжения, построенной с использованием функции MeS(A) с амплитудным значением А для прямой последовательности фаз для 8 дискретных значений ωt=р⋅45° для р=1, 2, 3…8 для фаз с номерами 1, 2, 3, 4.

Из таблицы следует, что в каждом столбце таблицы сумма мгновенных значений напряжений равна 0. Графики напряжений фаз четырехфазной системы на основе функции MeS для прямой последовательности фаз приведены на рисунке фиг. 5.

Фиг. 5 Графики напряжений фаз четырехфазной системы на основе функции MeS при прямой последовательности фаз

При представлении напряжений фаз векторами соответственно (7) выразим векторы напряжений фаз 2, 3, 4 четырехфазной системы через вектор напряжений первой фазы:

, где С учетом симметрии функции MeS запишем:

В таблице 1.3 записаны мгновенные значения напряжений четырехфазной системы напряжения, построенной с использованием функции MeS(A) с амплитудным значением А для обратной последовательности фаз для 8 дискретных значений ωt=р⋅45° для р=1, 2, 3…8 для фаз с номерами 1, 2, 3, 4.

Графики напряжении фаз четырехфазной системы на основе функции MeS при обратной последовательности фаз приведены на рисунке фиг.6.

В каждом столбце таблицы сумма амплитудных значений импульсов равна 0.

Фиг. 6 Графики напряжений фаз четырехфазной системы на основе функции MeS при обратной последовательности фаз

Для обратной последовательности фаз и системы на основе функции MeS запишем:

, где

В таблице 1.4 записаны мгновенные значения напряжений четырехфазной системы напряжения, построенной с использованием функции МеС(А) с амплитудным значением А для прямой последовательности фаз для 8 дискретных значений ωt=р⋅45° для р=1,2, 3…8 для фаз с номерами 1, 2, 3, 4.

Графики напряжений фаз четырехфазной системы на основе функции МеС при прямой последовательности фаз приведены на рисунке фиг. 7.

Фиг. 7 Графики напряжений фаз четырехфазной системы на основе функции МеС при прямой последовательности фаз

В таблице 1.5 записаны мгновенные значения напряжений четырехфазной системы напряжения, построенной с использованием функции МеС(А) с амплитудным значением А для обратной последовательности фаз для 8 дискретных значений ωt=р⋅45° для р=1, 2, 3…8 для фаз с номерами 1, 2, 3, 4.

Графики напряжений фаз четырехфазной системы на основе функции МеС при обратной последовательности фаз приведены на рисунке фиг. 8.

Фиг. 8 Графики напряжений фаз четырехфазной системы на основе функции МеС при обратной последовательности фаз

На рисунке фиг. 9 представлены графики мгновенных значений напряжений восьми фаз для 8 интервалов времени.

Из таблиц 1.4 и 1.5 следует, что при использовании для построения четырехфазной системы функции МеС, в каждом столбце таблиц сумма амплитудных значений для четырехфазной системы, построенной с использованием функции МеС для прямой и обратной последовательности фаз равна 0.

3)Для m-фазной симметричной системы ЭДС при представлении напряжения каждой из фаз последовательностью импульсов, число которых на периоде Т равно n, отношение к=n/m должно быть целым. Целое значение числа к позволяет реализовать фазовый сдвиг каждой последовательности на целое число импульсов на временной оси.

При аппроксимации фазных напряжения/симметричной системы функциями MeS и МеС, записанные условия 1)…3) выполняются для m=4, 8, 12…

Далее рассмотрена реализация устройства для m=4.

II.1 Цель изобретения.

Целью изобретения является разработка устройства для генерирования периодического импульсного четырехфазного напряжения с использованием для этого импульсных ключевых схем, реализующих периодическую ступенчатую аппроксимацию типа меандр. Генерирование осуществляется с использованием импульсной техники и ключей на полупроводниковых приборах. Устройство генерирует многофазную периодическую последовательность ступенчатых функций типа меандр, аппроксимирующую синусоидальные функции напряжения и (или) тока фаз многофазной системы. Функции типа меандр достаточно просто реализуются средствами импульсной техники с использованием ключей на полупроводниковых приборах.

II. 2. Изобретательский уровень

Введено понятие знакопеременных периодических импульсных функций MeS и МеС. Рассмотрены свойства этих функций применительно к технической реализации многофазных систем напряжений (токов). Способ аппроксимации периодических функций с использованием функций MeS и МеС расширяет возможности импульсной аппроксимации многофазных периодических функций с использованием ключей на полупроводниковых приборах.

III. Раскрытие сущности изобретения

III. 1 Структурная схема устройства

Структурная схема устройства показана на рисунке фиг. 9.

Фиг. 9 Структурная схема

На рисунке фиг. 9 показаны четыре блока - Б1, Б2, Б3, Б4. Блок Б1 - это блок управления. При помощи блока генерируется периодическая последовательность прямоугольных импульсов с заданной или управляемой частотой. Формируемая блоком Б1 последовательность импульсов используется для формирования последовательности управляющих импульсов, при помощи которых осуществляется открытие силовых ключей, расположенных в блоке Б4. При помощи силовых ключей формируются последовательности импульсов, составляющих напряжения фаз многофазной системы. С выходов 8₁…8₈ этого блока управляющие импульсы поступают на вход блока диодов Б2. При помощи этого блока осуществляется разделение импульсов с положительными и отрицательными амплитудами. Сформированные блоком Б2 импульсы управляют силовыми ключами, расположенными в блоке Б4. На входы силовых ключей поступают напряжения величиной Е или -Е от блока питания Б3. Прямоугольные импульсы, с амплитудами, заданными блоком Б3, длительностью и расположением на временной оси, заданными блоками Б1 и Б2, суммируются блоком коммутации Б4. Сформированное ступенчатое напряжение снимается с полюсов В1 (фаза 1) …В4 (фаза 4).

III.2 Блок управления

Блок управления Б1 предназначен для формирования управляющих импульсов в результате создания периодической последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности TI=Т/n, где Т- период функции, n - количество тактовых импульсов на периоде Т. Рассматривается устройство с n=8. Генератор тактовых импульсов 1 формирует циклическую с периодом Т последовательность импульсов. Величина Т равна периоду синусоидальной функции, которая аппроксимируется последовательностью импульсных функций на выходе устройства. При помощи управляемых электронных ключей, расположенных в блоке коммутации силовых импульсов Б4, источник напряжения или тока, расположенные в блоке Б3, подключается в заданные блоком управления моменты времени к выходным полюсам блока коммутации В1…В4. Коммутация осуществляется в открытом состоянии силового ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа определяется блоком диодов. Так, при формировании прямоугольного импульса длительностью 4TI, см. рисунок фиг. 3, функция ƒ1, длительность импульса задается в результате последовательного поступления управляющих импульсов от блока управления Б1 через сумматор импульсов на диодах, блок Б2.

Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 10.

Фиг. 10 Принципиальная схема блока управления

Генерируемые боком Б1 импульсы снимаются с полюсов 8₁…8₈ дешифратора 7 и поступают на одноименные полюсы блока Б2. Блок реализован на элементах 1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И2, счетчик 3 числа импульсов на периоде Т периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с выходными полюсами 8₁…8n. Для n=8 это полюсы 8₁…8₈.

Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6₁. По входу 6₂ осуществляется запись кода числа временных интервалов n. Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 6₁ 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 6₂ устройства, выходы дешифратора 7 подсоединены к входам 8₁…8n, при помощи которых блок управления соединяется с блоком коммутации.

Управляющие импульсы снимаются с полюсов 8₁…8₈ дешифратора 7 и поступают на вход блока Б2. Частота периодических тактовых импульсов может плавно изменяться в результате изменения управляющего напряжения, подаваемого на управляющий электрод 63 генератора тактовых импульсов.

III.3 Блок диодов

При помощи блока диодов Б2 формируются прямоугольные управляющие импульсы, управляющие открытием силовых ключей блока Б4. В блоке Б2 задается длительность и расположение импульсов на временной оси. Управляющие импульсы поступают на управляющие электроды силовых ключей, расположенных в блоке коммутации Б4. Схема блока диодов показана на рисунке фиг.11.

Фиг. 11 Схемы модулей блока Б2

Блок диодов Б2 содержит модули M1… М8, в состав которых входят слаботочные диоды по четыре диода в каждом модуле. При помощи модулей с нечетными номерами M1, М3, М5, М7 формируются управляющие импульсы, формирующие полуволну напряжения фазы с положительными амплитудами, при помощи модулей с четными номерами М2, М4, М6, М8 формируются управляющие импульсы, формирующие полуволну с отрицательными амплитудами напряжения фазы. Модули M1 и М2 используются для формирования напряжения первой фазы, модули М3 и М4 используются для формирования напряжения второй фазы, модули М5 и М6 используются для формирования напряжения третьей фазы, модули М7 и М8 используются для формирования напряжения четвертой фазы четырехфазной симметричной системы напряжений.

Формирование напряжения фазы 1. В модуль M входят диоды D1,1, D1,2, D1,3 и D1,4. Анод диода D1,1 соединен с полюсом 8₁, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D1,2 соединен с полюсом 8₂, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D1,3 соединен с полюсом 8₃, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D1,4 соединен с полюсом 8₄, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Катоды диодов D1,1…D1,4 объединены и подключаются к полюсу 10, который соединен с одноименным полюсом управляющего электрода ключа К1, блок 4. При помощи ключа К1 напряжение от источника питания, блок Б₃, с напряжением Е поступает на выход устройства, фаза 1, полюс В1. При этом с полюсов В1 и земля (фаза 1) снимается полуволна напряжения с положительными значениями. Анод диода D1,5 соединен с полюсом 85, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D1,6 соединен с полюсом 8₆, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D1,7 соединен с полюсом 87, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D1,8 соединен с полюсом 8₈, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Катоды диодов D1,5…D1,8 объединены и подключаются к полюсу 11, который соединен с одноименным полюсом управляющего электрода ключа К2, блок б4. При помощи ключа К2 напряжение от источника питания с напряжением - Е поступает на выход устройства, фаза 1, полюсы В1 и земля. При этом с полюсов В1 и земля (фаза 1) снимается полуволна напряжения с отрицательными значениями.

Формирование напряжения фазы 2. В модуль М3 входят диоды D2,1, D2,2, D2,3, D2,4. Анод диода D2,1 соединен с полюсом 8₃, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D2,2 соединен с полюсом 84, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D2,3 соединен с полюсом 85, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D2,4 соединен с полюсом 8₆, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Катоды диодов D2,1…D2,4 объединены и подключаются к полюсу 12, который соединен с одноименным полюсом управляющего электрода ключа K3, блок 4. При помощи ключа K3 напряжение от источника питания, блок Б3, с напряжением Е поступает на выход устройства, фаза 2, полюсы В3 и земля. При этом с полюсов В3 и земля (фаза 2) снимается полуволна напряжения с положительными значениями. Анод диода D2,5 соединен с полюсом 81, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D2,6 соединен с полюсом 8₂, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D2,7 соединен с полюсом 8₇, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D2,8 соединен с полюсом 8₈, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Катоды диодов D2,5…D2,8 объединены и подключаются к полюсу 13, который соединен с одноименным полюсом управляющего электрода ключа K4, блок Б4. При помощи ключа K4 напряжение от источника питания с напряжением - Е поступает на выход устройства, фаза 2, полюсы В3 и земля. При этом с полюсов В3 и земля (фаза 2) снимается полуволна напряжения с отрицательными значениями.

Формирование напряжения фазы 3. В модуль М5 входят диоды D3,1, D3,2, D3,3, D3,4. Анод диода D3,1 соединен с полюсом 85, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D3,2 соединен с полюсом 8₆, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D3,3 соединен с полюсом 87, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D3,4 соединен с полюсом 8₈, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Катоды диодов D3,1…D3,4 объединены и подключаются к полюсу 14, который соединен с одноименным полюсом управляющего электрода ключа К5, блок 4. При помощи ключа K5 напряжение от источника питания, блок Б3, с напряжением Е поступает на выход устройства, фаза 3, полюсы В5 и земля. При этом с полюсов В5 и земля (фаза 3) снимается полуволна напряжения с положительными значениями. Анод диода D3,5 соединен с полюсом 81, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D3,6 соединен с полюсом 82, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D3,7 соединен с полюсом 83, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D3,8 соединен с полюсом 84, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Катоды диодов D3,5…D3,8 объединены и подключаются к полюсу 15, который соединен с одноименным полюсом управляющего электрода ключа K6, блок Б4. При помощи ключа K6 напряжение от источника питания с напряжением - Е поступает на выход устройства, фаза 3, полюсы В5 и земля. При этом с полюсов В5 и земля (фаза 3) снимается полуволна напряжения с отрицательными значениями.

Формирование напряжения фазы 4. В модуль М7 входят диоды D4,1, D4,2, D4,3 и D4,4. Анод диода D4,1 соединен с полюсом 8₁, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D4,2 соединен с полюсом 8₂, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D4,3 соединен с полюсом 8₇, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D4,4 соединен с полюсом 8₈, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Катоды диодов D4,1…D4,4 объединены и подключаются к полюсу 16, который соединен с одноименным полюсом управляющего электрода ключа K7, блок 4. При помощи ключа K7 напряжение от источника питания, блок Б3, с напряжением Е поступает на выход устройства, фаза 4, полюсы В7 и земля. При этом с полюсов В7 и земля (фаза 4) снимается полуволна напряжения с положительными значениями. Анод диода D4,5 соединен с полюсом 83, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D4,6 соединен с полюсом 84, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D4,7 соединен с полюсом 85, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Анод диода D4,8 соединен с полюсом 8₆, который соединен с одноименным полюсом блока управления Б1. Катоды диодов D4,5…D4,8 объединены и подключаются к полюсу 17, который соединен с одноименным полюсом управляющего электрода ключа K8, блок Б4. При помощи ключа K8 напряжение от источника питания с напряжением -Е поступает на выход устройства, фаза 4, полюсы В7 и земля. При этом с полюсов В7 и земля (фаза 4) снимается полуволна напряжения с отрицательными значениями.

III.4 Блок коммутации

На рисунке фиг.12 изображена схема блока коммутации Б4 для случая, когда при помощи блока реализуется ступенчатая аппроксимация периодических напряжений фаз четырехфазной системы. Амплитуда каждой ступеньки по модулю равна Е. Это напряжения источников ЭДС, которые генерируются блоком питания Б3. Схема блока коммутации показана на рисунке фиг. 12.

Фиг. 12 Схема блока коммутации

Блок коммутации содержит четыре пары ключей К1-К2, К3-К4, К5-К6, К7-К8. При помощи ключей К1-К2 формируется знакопеременное напряжение фазы 1, при помощи ключей К3-К4 формируется знакопеременное напряжение фазы 2, при помощи ключей К5-К6 формируется знакопеременное напряжение фазы 3. При помощи ключей К7-К8 формируется знакопеременное напряжение фазы 4.

Формирование знакопеременного напряжения фазы 1.

Положительное напряжение Е, снимаемое с полюса 9₁ блока питания Б4, поступает на одноименный полюс 9₁ управляемого ключа К1. На управляющий электрод 10 этого ключа поступает управляющий сигнал с одноименного полюса 10 блока Б2. При наличии управляющего сигнала ключ открывается и напряжение Е посредством открытого ключа К1 поступает намвыходной полюс В1. При помощи ключа К1 на выходе устройства с полюса В1 снимается положительная полуволна напряжения фазы 1. На полюс 9₂ с одноименного полюса 9₂ блока питания Б4 поступает напряжение -Е. При поступлении на управляющий электрод 11 управляющего сигнала с одноименного полюса 11 блока Б2 ключ К2 открывается и отрицательное напряжение поступает на выходной полюс В1 первой фазы устройства. При помощи ключа К2 формируется полуволна напряжения фазы 1 с отрицательными значениями. При помощи ключей К1-К2 формируется знакопеременное напряжение фазы 1. Сформированное периодическое напряжение положительной и отрицательной полярности ступенчатой формы, аппроксимирующей синусоидальную функцию напряжения, снимается с полюсов В1 и земля.

Формирование знакопеременного напряжения фазы 2.

Положительное напряжение Е, снимаемое с полюса 9₃ блока питания Б4, поступает на одноименный полюс 9₃ управляемого ключа К3. На управляющий электрод 12 этого ключа поступает управляющий сигнал с одноименного полюса 12 блока Б2. При наличии управляющего сигнала ключ открывается и напряжение Е посредством открытого ключа К3 поступает на выходной полюс В2. При помощи ключа К3 на выходе устройства с полюса В2 снимается положительная полуволна напряжения фазы 2. На полюс 9₄ с одноименного полюса 9₄ блока питания Б4 поступает напряжение -Е. При поступлении на управляющий электрод 13 управляющего сигнала с одноименного полюса 13 блока Б2 ключ К4 открывается и отрицательное напряжение поступает на выходной полюс В2 второй фазы устройства. При помощи ключа К4 формируется полуволна напряжения фазы 2 с отрицательными значениями. При помощи ключей К3-К4 формируется знакопеременное напряжение фазы 2. Сформированное периодическое напряжение положительной и отрицательной полярности ступенчатой формы, аппроксимирующей синусоидальную функцию напряжения, снимается с полюсов В2 и земля.

Формирование знакопеременного напряжения фазы 3.

Положительное напряжение Е, снимаемое с полюса 9₅ блока питания Б4, поступает на одноименный полюс 9₅ управляемого ключа К5. На управляющий электрод 14 этого ключа поступает управляющий сигнал с одноименного полюса 14 блока Б2. При наличии управляющего сигнала ключ открывается и напряжение Е посредством открытого ключа К5 поступает намвыходной полюс В3. При помощи ключа К5 на выходе устройства с полюса В3 снимается положительная полуволна напряжения фазы 3. На полюс 9₆ с одноименного полюса 9₆ блока питания Б4 поступает напряжение -Е. При поступлении на управляющий электрод 15 управляющего сигнала с одноименного полюса 15 блока Б2 ключ К6 открывается и отрицательное напряжение поступает на выходной полюс В3 первой фазы устройства. При помощи ключа К6 формируется полуволна напряжения фазы 3 с отрицательными значениями. При помощи ключей К5-К6 формируется знакопеременное напряжение фазы 3. Сформированное периодическое напряжение положительной и отрицательной полярности ступенчатой формы, аппроксимирующей синусоидальную функцию напряжения, снимается с полюсов В3 и земля.

Формирование знакопеременного напряжения фазы 4.

Положительное напряжение Е, снимаемое с полюса 9₇ блока питания Б4, поступает на одноименный полюс 9₇ управляемого ключа К7. На управляющий электрод 16 этого ключа поступает управляющий сигнал с одноименного полюса 16 блока Б2. При наличии управляющего сигнала ключ открывается и напряжение Е посредством открытого ключа К7 поступает намвыходной полюс В4. При помощи ключа К7 на выходе устройства с полюса В4 снимается положительная полуволна напряжения фазы 4. На полюс 9₈ с одноименного полюса 9% блока питания Б4 поступает напряжение -Е. При поступлении на управляющий электрод 17 управляющего сигнала с одноименного полюса 17 блока Б2 ключ К8 открывается и отрицательное напряжение поступает на выходной полюс В4 четвертой фазы устройства. При помощи ключа К8 формируется полуволна напряжения фазы 4 с отрицательными значениями. При помощи ключей К7-К8 формируется знакопеременное напряжение фазы 4. Сформированное периодическое напряжение положительной и отрицательной полярности ступенчатой формы, аппроксимирующей синусоидальную функцию напряжения, снимается с полюсов В4 и земля.

III.5 Блок источников питания

Схема блока питания Б4 показана на рисунке фиг. 13. На ферромагнитном сердечнике 13 располагается первичная катушка трансформатора, которая полюсами 18₁ и 18₂ подключается к сети переменного тока. На этом магнитопроводе располагаются восемь вторичных катушек трансформатора 19₁-19₈, каждая из которых посредством полюсов 12₁-12₈ подключается к выпрямительным схемам D1…D8. С выходов этих схем снимаются напряжения E1…Е8. Для получения симметричной системы четырехфазной системы эти напряжения принимаются одинаковыми и равными Е. С полюсов 9₁ и земля снимается положительное напряжение Е, с полюсов 9₂ и земля снимается напряжение -Е. Соответственно с полюсов 9₃…9₇ снимаются положительные напряжения, с полюсов 9₂…9₈ снимаются напряжения с отрицательным знаком. Эти напряжения поступают на ключи блока коммутации, где при помощи ключей К1-К8 формируются напряжения фаз четырехфазной системы.

Фиг. 13 Схемы источников ЭДС в блоке питания

III.6 Описание работы устройства

При помощи входа 6₁ осуществляется запуск устройства, при помощи входа 6₂ и регистра 5 осуществляется установка числа п импульсов на периоде, при помощи входа 6₃ возможно плавное изменение частоты импульсов, генерируемых блоком Б1, генерируемые блоком Б1 импульсы поступают на входные полюсы блока Б2, который вырабатывает ю управляющие импульсы, которые поступают на управляющие электроды силовых ключей, расположенных в блоке коммутации Б4, на входы этих силовых ключей поступают постоянные напряжения от блока питания Б3, которые коммутируются в соответствии с заданным блоком Б2 порядком следования импульсов, сформированные блоком Б4 ступенчатые функции снимаются с выходных полюсов устройства В1-"земля" для фазы 1, В2-"земля" для фазы 2, В3-"земля" для фазы 3. В4-"земля" для фазы 4.

IV. Краткое описание чертежей

Фиг. 1 Графики функции MeS или MeS1

Фиг. 2 Графики функции МеС

Фиг. 3 Представление функции MeS последовательностью 16 импульсных функций

Фиг. 4 Схемы соединения источников ЭДС в многолучевую звезду (а) и многоугольник (б)

Фиг. 5 Графики напряжений 1 фаз четырехфазной системы на основе функции MeS при прямой последовательности фаз

Фиг. 6 Графики напряжений фаз четырехфазной системы на основе функции MeS при обратной последовательности фаз

Фиг. 7 Графики напряжений фаз четырехфазной системы на основе функции МеС при прямой последовательности фаз

Фиг. 8 Графики напряжений фаз четырехфазной системы на основе функции МеС при обратной последовательности фаз

Фиг. 9 Структурная схема

Фиг. 10 Принципиальная схема блока управления

Фиг. 11 Схемы модулей блока Б2

Фиг. 12 Схема блока коммутации

Фиг. 13 Схемы источников ЭДС в блоке питания

V. Литература

1.Гаврилов Л.П. Четырехфазный импульсный генератор. Патент RU 2793200 С1 от 03.30.2023

1. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС. Патент RU 2681347 C1

2. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС с использованием блока диодов для сокращения в два раза числа силовых ключей. Патент RU 2684486 C1

Изобретение относится к генерированию напряжений. Технический результат - разработка устройства для генерирования периодического импульсного четырехфазного напряжения с использованием для этого импульсных ключевых схем, реализующих периодическую ступенчатую аппроксимацию типа меандр. Для этого импульсное устройство для генерирования симметричной системы напряжений реализуется с использованием полупроводниковых импульсных устройств. Состоит из блоков Б1, Б2, Б3, Б4. Блок Б1 - это блок управления. При помощи блока генерируется периодическая последовательность управляющих импульсов. Она снимается с выходных полюсов блока Б1 и поступает на вход блока диодов Б2. Блоком Б2 формируется требуемая для каждой фазы последовательность импульсов. Для каждой фазы формируется последовательность импульсов с требуемым расположением на периоде и требуемой длительностью. При помощи сформированных блоком Б2 последовательностей импульсов осуществляется управление открытием силовых ключей, расположенных в блоке коммутации Б4. При помощи силовых ключей блока коммутации Б4 осуществляется подключение напряжений, сформированных блоком питания Б3, к выходным полюсам каждой фазы устройства. 13 ил., 5 табл.

Генератор 4×N-фазной системы напряжений, где N=1, 2, 3, …, на основе функций меандра создает многофазную симметричную систему напряжений, каждая из которых реализуется при помощи ступенчатой знакопеременной функции меандра и сдвинута относительно напряжения предшествующей фазы по временной оси на интервал 2π/m, где m=4×N - число фаз многофазной системы, состоящий из блока управления Б1, блока диодов Б2, блока питания Б3, блока коммутации Б4, отличающийся тем, что:

- блок управления Б1 предназначен для генерации периодической последовательности прямоугольных импульсов заданной частоты, число импульсов на периоде равно n=8, блок управления состоит из генератора тактовых импульсов (ГТИ) (1), элемента И (2), счетчика числа импульсов (3), схемы сравнения (4), регистра (5), кнопки запуска устройства (6₁), дешифратора (7), входа для установки числа временных интервалов (6₂), выход ГТИ (1) подсоединен к первому входу элемента И (2), ко второму входу элемента И (2) подключена кнопка запуска устройства (6₁), 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), ко второму входу схемы сравнения (4) подсоединен регистр (5), по входу (6₂) которого заносится число временных интервалов n на периоде Т, с выхода счетчика (3) импульсы поступают на вход дешифратора (7), выходные полюсы 8₁…8₈ дешифратора (7) соединяются с одноименными полюсами 8₁…8_n блока Б2;

- блок диодов Б2 содержит восемь модулей M1, М2, М3, М4, М5, М6, М7, М8, в каждом модуле расположены четыре слаботочных диода, в модуль M1 входят диоды D1,1, D1,2, D1,3 и D1,4, в модуль М3 входят диоды D2,1, D2,2, D2,3, D2,4, в модуль М5 входят диоды D3,1, D3,2, D3,3, D3,4, в модуль М7 входят диоды D4,1, D4,2, D4,3 и D4,4, в модуль М2 входят диоды D1,5…D1,8, в модуль М4 входят диоды D2,5…D2,8, в модуль М6 входят диоды D3,5…D3,8, в модуль М8 входят диоды D4,5…D4,8, катоды каждой группы диодов (модулей) объединены и подключаются к управляющим полюсам 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, эти полюсы соединяются с одноименными полюсами, которые управляют открытием силовых ключей K1…К8 блока коммутации, аноды диодов подключаются к одноименным полюсам блока управления 8₁…8₈ так, что полюсы 8₁…8₄ модуля M1 подключаются к одноименным полюсам блока Б1, при помощи модуля M1 формируется положительная полуволна ступенчатого напряжения фазы 1, катоды диодов объединяются и подключаются к полюсу 10, аноды диодов модуля М2 подключаются к одноименным полюсам блока управления 8₅…8₈ блока Б1, катоды диодов объединяются и подключаются к полюсу 11, при помощи модуля М2 формируется полуволна ступенчатого напряжения с отрицательными значениями фазы 1, полюсы 8₃…8₆ модуля М3 подключаются к одноименным полюсам блока Б1, катоды диодов модуля М3 объединяются и подключаются к полюсу 12, при помощи модуля М3 формируется положительная полуволна ступенчатого напряжения фазы 2, аноды диодов 8₁, 8₂, 8₇, 8₈ модуля М4 подключаются к одноименным полюсам блока управления блока Б1, катоды диодов объединяются и подключаются к полюсу 13, при помощи модуля М4 формируется полуволна ступенчатого напряжения с отрицательными значениями фазы 2, полюсы 8₅, 8₆, 8₇, 8₈ модуля М5 подключаются к одноименным полюсам блока Б1, катоды диодов модуля М5 объединяются и подключаются к полюсу 14, при помощи модуля М5 формируется положительная полуволна ступенчатого напряжения фазы 3, аноды диодов 8₁, 8₂, 8₃, 8₄ модуля М6 подключаются к одноименным полюсам блока управления блока Б1, катоды диодов объединяются и подключаются к полюсу 15, при помощи модуля М6 формируется полуволна ступенчатого напряжения с отрицательными значениями фазы 3, полюсы 8₁, 8₂, 8₇, 8₈ модуля М7 подключаются к одноименным полюсам блока Б1, катоды диодов модуля М7 объединяются и подключаются к полюсу 16, при помощи модуля М7 формируется положительная полуволна ступенчатого напряжения фазы 4, аноды диодов 8₃, 8₄, 8₅, 8₆ модуля М8 подключаются к одноименным полюсам блока управления блока Б1, катоды диодов объединяются и подключаются к полюсу 17, при помощи модуля М8 формируется полуволна ступенчатого напряжения с отрицательными значениями фазы 4;

- блок коммутации содержит четыре (по числу фаз) пары ключей, при помощи ключей К1 и К2 формируется знакопеременное ступенчатое напряжение фазы 1, при помощи ключей К3 и К4 формируется знакопеременное ступенчатое напряжение фазы 2, при помощи ключей К5 и К6 формируется знакопеременное ступенчатое напряжение фазы 3, при помощи ключей К7 и К8 формируется знакопеременное ступенчатое напряжение фазы 4, для ключа К1 входное напряжение от блока питания подается с полюса 9₁, для ключа К2 входное напряжение от блока питания подается с полюса 9₂, для ключа К3 входное напряжение от блока питания подается с полюса 9₃, для ключа К4 входное напряжение от блока питания подается с полюса 9₄, для ключа К5 входное напряжение от блока питания подается с полюса 9₅, для ключа К6 входное напряжение от блока питания подается с полюса 9₆, для ключа К7 входное напряжение от блока питания подается с полюса 9₇, для ключа К8 входное напряжение от блока питания подается с полюса 9₈, при помощи ключей К1, К3, К5, К7 коммутируются положительные ступенчатые напряжения, при помощи ключей К2, К4, К6, К8 коммутируются отрицательные ступенчатые напряжения, на входы ключей К1, К3, К5, К7 с номерами 10, 12, 14, 16 подаются управляющие импульсы с одноименных полюсов блока диодов Б2, на входы ключей К2, К4, К6, К8 с номерами 11, 13, 15, 17 подаются управляющие импульсы с одноименных полюсов блока диодов Б2, выходы ключей К1 и К2 объединены и соединяются с полюсом В1, с полюсов В1 и "земля " снимается напряжение первой фазы,

выходы ключей К3 и К4 объединены и соединяются с полюсом В2, с полюсов В2 и "земля" снимается напряжение второй фазы, выходы ключей К5 и К6 объединены и соединяются с полюсом В3, с полюсов В3 и "земля" снимается напряжение третьей фазы, выходы ключей К7 и К8 объединены и соединяются с полюсом В4, с полюсов В4 и "земля" снимается напряжение четвертой фазы;

- блок источников питания содержит ферромагнитный магнитопровод, на котором размещается первичная катушка, подключаемая к сети переменного синусоидального напряжения, и восемь вторичных катушек, каждая из которых подключается к схеме выпрямления D1…D8, при помощи которой напряжение вторичной катушки выпрямляется и фильтруется, полученные выпрямленные напряжения положительной полярности поступают при помощи полюсов 9₁-земля, 9₃-земля, 9₅-земля, 9₇-земля на управляемые ключи блока коммутации К1, К3, К5, К7, а напряжения с отрицательной полярностью поступают при помощи полюсов 9₂-земля, 9₄-земля, 9₆-земля, 9₈-земля на управляемые ключи блока коммутации К2, К4, К6, К8.