Способ формирования квазисинусоидального напряжения и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК H02P13/18 H02M7/537 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике и может быть использовано при построении как централизованных вторичных источников питания (ВИП) с синусоидальным выходным напряжением, так и децентрализованных ВИП применяемых в частотно управляемых электроприводах во всех случаях, когда требуются согласование уровней напряжений питания и потребителя, улучшенные качество выходного напряжения (тока) и массогабаритные показатели ВИП-..

Известен целый ряд способов формирования квазисинусоидального выходного напряжения путем амплитудно-импульсной (АИМ) или широтно-импульсной (ШИМ) его модуляции 1 ,.

Однако реализация, например, последнего способа, основанная на использовании вертикального принципа управления, требует формирования за дающих сигналов аналогового типа (с

частотой, равной выходной частоте ВИП). Форма этих сигналов - (прямоугольная) треугольная, трапецеидальная или синусоидальная, определяет вид ШИМ. Недостатком такого пути синтеза ВИП являются невозможность достаточно просто и удовлетворительно решить задачу согласования уровней напряжения питания и потребителя, особенно при низких выходных частотах,

10 характерных для частотного пуска двигателей. Блок усиления и развязки управляющих сигналов также, как и силовая часть ВИП в этом случае имеют невысокие технико-энергетические

15 показатели, а информационная часть системы управления имеет невысокую помехоустойчивость и точность.

Известен способ получения квазисинусоидального напряжения с двухпо20лярной ШИМ по трапецеидальному закону, который основан на АИМ второго рода (с глубиной модуляции, равной 1) высокочастотного напряжения одной частоты f , напряжением другой частоты f., причем скважность моду лирующего напряжения задается, равной трем 2 Jo Недостатком данного сп &соба является сравнительная сложность аппаратурной его реализации, которая обу словлена необходимостью формирования трехфазного высокочастотного напряжения даже в вариантах преобразователя с однофазным выходом. Кроме того, модулятор устройств, реализующих данный способ, обладает сравнительно невысокими массогабаритными показателями из-за наличия трехфазйого трансформатора и плохого использования его вторичных обмоток, так как они нагружаются лишь 1/3 периода частоты модуляции f (или выходной частоты), что приводит к ухуд шенным массогабаритным показателям устройства в целом Наиболее близким к предлагаемому является способ получения квазисинусоидального напряжения с ШИМ по треугольному закону, заключающийся в инвертировании постоянного напряжения в высокочастотное переменное с частотой f . Путем последующей амплитудно-импульсной модуляции второго рода (с глубиной модуляции , равной двум) этого напряжения, осуществляемой при помощи модулятора на клю чах с двухсторонней проводимостью, кotopыe управляются сформированной последовательностью импульсов с частотой f (обеспечивающих попеременно открытое, длительностьюTf состояние этих ключей) на щыходе преобразователя формируют напряжение с ШИМ по треугольному закону. Частота основной гармоники выходного напряжения при этом равняется , -f К недостаткам известного способа формирования квазисинусоидального напряжения следует отнести невысокое качество выходного напряжения, а так же низкие технико-экономические показатели реализующей его аппаратуры. Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь, который содержит высокочастотный инвертор, выходом через согласующий трансформатор, подключенный к силовому входу амплитудно-импульсного модулятора, выполненного по схеме однофазного инвертора на ключах с двухсторонней проводимостью, причем управляющие входы ключей высокочастотного инвертора и модулятора связаны через два делителя частоты с разными коэффициентами деления с задающим генератором, Недостатки известного устройства обусловлены несовершенством реализуемого им способа и характеризуются ухудшенными массогабаритными показателями из-за увеличенной установленной мощности его элементов, что определяется невысоким содержанием основной гармоники в спектре выходного напряжения Цель изобретения - улучшение качества квазисинусоидального напряжения за счет уменьшения его коэффициента гармоник, увеличения содержания основной гармоники и улучшение технико-экономических показателей реализующейего аппаратуры„ Поставленная цель достигается тем, что в способ формирования квазисинусоидального напряжения частоты F путем амплитудно-импульсной модуляции 2-го рода с глубиной модуляции, равной двум, переменного напряжения частоты fa сигналом прямоугольной частоты на крайних интервалах длительностью 7Г/12 (1+п) периода частоты F, расположенных на полупериодах квазисинусоидального напряжения симметрично по обе стороны относительно точек перехода его основной гармоники через ноль, значение частозначениеТЫ f,. задают равным .« тгрГ «I v4uiiu |T|ЖА .- на средних интервалах длительностью (5-0) периода частоты F, расположенных на каждом полупёриоде частоты F между указанными крайними интервалами, значение частоты f| изменяют и задают равным , где п - любое дробное или целое число, выбранное из неравенства . При формировании одйофазного квазисинусоидального напряжения число п задают, равным 2,87 При формировании трехфазной системы квазисинусоидальных напряжений, предназначенной для питания трехфазной нагрузки, соединенной в звезду без нулевого провода, число п задают, равным 1,33 о Устройство, содержащее высокочастотный инвертор, выходом через согласующий трансформатор подключенный к силовому входу амплитудно-импульсного модулятора, выполненноголо схеме однофазного инвертора на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, причем управляющие входы ключей высокочастотного инвертора и модулятора связаны соответственно через первый и второй делители частоты с выходом задающего генератора, снабжено последовательно соединенными переключателями частоты следования импульсов с выходов первого и второго упомянутых делителей частоты, распределителем импульсов и третьим делителем частоты, вход которого подключен к выходу задающего генератора, а переключаемый вывод переключателя соединен с управляющими входами ключей модулятора через дополнительно введенный триггер со счетным входом.

Соотношение , выбирают в зависимости от требований к качеству выходного напряжения, причем тем ближе к единице, чем выше эти требования .

На фиг, 1 представлены формы выходных напряжений , сформированных по известным способам ШИМ: а) по треугольному закону (2); б) по трапецеидальному закону (3, в преобразователях с однофазным выходом; г) и д) соответственно то же, но в преобразователях с трехфазным выходом при соединении трехфазной нагрузки в звезду, В), е} формы напряжений ир,)(,сформированных по предлагаемому способу, соответственно в преобразователях с однофазным и трехфазным выходами при различных п; на фиг, 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип предлагаемого способа формирования квазисинусоидального напряжения при , на которых обозначено: U. - высокочастотное напряжение частоты f, (период Т; ) , U{J,- вид модулирующего сигнала частоты f (период Т, ) j {дл вид сигнала с АИМ 2-го рода с глубиной модуляции, равной двум по периодическому, линейно-изменяющемуся закону на интервале длительностью тс/б в обе стороны от точек перехода О и ||Г(основной гармоники показана тонкой линией) выходного напряжения частоты F (с периодом Т) через ноль; и,, вид выпрямленного в соответствии с полярностью Ugj си гнала частоты f. на интервале длительностью на каждом полупериоде и. й- « ходного напряжения трехфазного варианта преобразователя, на фиг. 3 блок-схема однофазного преобразователя позволяющего реализовать предлагаемый способ, на фиг. - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.

При реализации предлагаемого способа постоянное напряжение питания инвертируют в высокочастотное переменное напряжение Uc с частотой f. . На фиг, 2 выбран случай с , При

данном VI на интервалах длительностью ТьУб, расположенных по.сбе стороны относительно точек перехода основной гармоники и через ноль осуществляг ют амплитудно«импульсную модуляцию

второго рода высокочастотного напряжения Uf, напряжением 1) другой частоты, с глубиной модуляции, равной двум, по периодическому, линейно-изменяющемуся закону В общем случае,

такую модуляцию осуществляют на интервалах длительностью

м--(M. W

При ЭТОМ, на данных интервалах формируют напряжение с ШИМ (а точнее с двухполярной ШИМ-даИМ) полинейному закону (пунктиром показана средняя линия этого напряжения, фиг, 2). На

всей остальной части периода упомянутую амплитудно-импульсную модуляцию второго рода (с той же глубиной модуляции) высокочастотного напряжения частоты (осуществляют той же частотой fj , формируя неизменное по знаку выпрямленное напряжение в соответствии с полярностью полупериодов выходного напряжения,

Устройство (фиг 3) содержит задающий генератор 1, три делителя 2- частоты, узел 5 формирования управляющих сигналов инвертором, собственно инвертор 6, к выходу которого подключен трансформатор 7 и модулятор 8, выполненный на ключах 9 и 10 с двухсторонней проводимостью. Выходы делителей частоты 2 и 3 через последовательно соединенные переключатель 11 частоты следования управляющих импульсов и триггер 12 связаны- с управляющими входами ключей 9 и 10 модулятора 8. Распределитель 13 импульсов счетным входом подключен к выходу третьего делителя частоты, а выходом - к управляющему входу переключателя 11 ,

Устройство работает следующим образом. 710 Сигнал Uj (фиг. 4) с выхода задающего генератора 1 поступает на входы трех делителей Z- частоты, первы два из которых обеспечивают формирование последовательностей Ч1мпульсов частот 2f и 2f (U и U, фиг t. Эти частоты Соответствуют fд,f4rlлf) а третий делитель k, обеспечивает формирование последовательности импульсов ид, период частоты которых равен Переключатель 11 частоты сп дования импульсов обеспечивает посту пление на счетный вход триггера 12 последовательностей импульсов или ча стоты 2 или частоты 2f д в соответствии с разрешающим сигналом Ug с вы хода распределителя 13 импульсов. Пр этом единица на выходе распределителя 13 импульсов соответствует прохож дению последовательности LL , а нольпрохождению LL . Переключатель 11 частоты следования управляющих импульсов, выполняет следующую логическую операцию: и,,-иаЦ,Лу Сигнал 0,1 представляет собой последовательность импульсов переменно частоты. Переключатель 11 может быть выполнен либо в виде двух транзисторов,- на управляющие входы которых по ступают сигналы У.лИ и,,, либо в интегральном исполнении на микросхеме -2И-ИЛИ« После прохождения последовательностей импульсов и и. соответственно через узел 5 формирования управляющих сигналов и триггер 12 последовательности импульсов . поступают на управляющие входы соответственно ключей инвертора 6 и модулятора 8„ На выходе преобразователя формируют выходное напряжение и с ШИМ по трапецеидальному закону. Отметим, что в общем случае число п может принимать все возможные значения в диапазоне , в том числе и дробные. При этом изменяются значения коэффициента гармоник выходного напряжения праобразоаате ля, а также относительное содержание его основной гармоники. Например, .в однофазном варианте преобразователя, оптимальным с точки зрения коэффициента гармоник (Кг), является случай с ,а7 (что соответствует длительности интервала, на котором осуществляют АИМ, равной примерно 62 эл.град,). Основная гармоника 5.8 при этом составляет Ц..,039 U.,. IXJIATrXJ)4 где ,- максимальное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора 7 модулятора 8, Предельно достижимое значение коэффициента гармоник тока нагрузки при этом лежит в области значений меньших 0,05 в зависимости от cosW нагрузки по сравнению с предельно достижимым значением Кг в прототипе, равным 0,12, В трехфазных вариантах преобразователей, реализующих предложенный способ формирования, оптимальными с точки зрения Кг являются следующие значения ,33 и ,93. Основная гармоника при этом составляет соответственно ,196« ,и U 0,9ч8 .y,a значение коэффициента гармоник тока не превышает 0,035 в первом и 0,02 во втором случае Предпочтительным является случай с ,33, так как числа л 3 не оптимальны изза уменьшенного значения U в спекTPeUg,,,,. Наиболее простыми являются случаи с целократными значениями . При больших п значение Кг в трехфазных вариантах преобразователей изменяется незначительно, а в однофазныхдаже несколько увеличив-аетсЯо Поэтому для однофазного варианта преобразователя целесообразно значение j , а для трехфазного - . Случай с занимает промежуточное значе ГУстройство для реализации способа формирования квазисинусоидального напряжения обладает также более высокими массогабаритными показателями , Например, по сравнению с прототипом (3 ), трансформатор 7 предлагаемого устройства приИ 1 имеет в 2,59 раза, а полупроводниковые элементы схемы -2,2k раза меньшую установленную мощность Предлагаемый способ применяется в централизованных источниках питания с выходом на переменном токе и в частотно-управляемых электроприводах, При этом регулирование выходного напряжения целесообразно осуществлять в инверторе 6, а изменение выходной частоты осуществлять за счет плавного изменения частоты f в небольшом диапазоне, а также за счет дискретного изменения соотношения частот f./ MФормула изобретения 1.Способ формирования квазисинусоидального напряжения частоты F путем амплитудно-импульсной модуляции 2-го рода с глубиной модуляции, равной двум, переменного напряжения частоты f сигналом прямоугольной формы частоты f, отличающи с я тем, что, с целью улучшения качества квазисинусоидального напряжения за счет уменьшения его коэффициента гармоник, увеличения содержания основной гармоники и улучшения технико-экономических показателей реализующей его аппаратуры на крайних интервалах длительностью (1+п) периода частоты F, расположенных на полупериодах квазисинусоидального на пряжения симметрично ло обе стороны относительно точек перехода его основной гармоники через ноль, значение частоты f.,, задают равным f / М f - , р а на средних интерлl-fnвалах длительностью /б(5-п) периода частоты F, расположенных на каждом полупериоде частоты F между указанными крайними интервалами, значение частоты f изменяют и задают равным f;, , где п - любое дробное или целое число, выбранное из неравенства 2.Способ поп 1, отличаю щ и и с я тем, что, с целью обес печения минимального значения коэффициента гармоник при формировании однофазного квазисинусоидального напряжения, значение числа п- зада ют равным 2,87. 3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью получения минимального коэффициента гар1010 МОНИК при формировании трехфазной системы квазисинусоидальных напряжений, используемой для питания трехфазной нагрузки, соединенной в звезду без нулевого провода, значение числа п задают равным 1,33. 4„ Устройство для осуществления способа по пп. 1 и 3 содержащее высокочастотный инвертор, выходом через согласующий трансформатор подключенный к силовому входу амплитудно-импульсного модулятора, выполненного по схеме однофазного инвертора на полностью управляемых ключах, с двухсторонней проводимостью, причем управляющие входы ключей высокочастотного инвертора и модулятора связаны соответственно через первый и второй делители частоты с выходом задающего генератора, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно соединенными переключателем частоты следования импульсов с выходов первого и второго упомянутых делителей частоты, распределителем импульсов и третьим делителем частоты, вход которого подключен к выходу задающего генератора, а переключаемый вывод переключателя соединен с управляющими входами ключей модулятора через дополнительно введенный триггер со счетным входомс Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Сандлер А,С. и Гусяцкий ЮоМ. Тиристорные инверторы с широтноимпульсной модуляцией, М., Энергия, 1968. 2,Авторское свидетельство СССР № 660189, кл, Н 02 Р 13/18, 1976. 3.Авторское свидетельство СССР № 5 +6072, кл Н 02 Р 13/18, 1973о

-sy/Aw ff.ff

ЖТГШ

Фаг. /

л f

(If .

(3)

ib,.

-Jf/ff 0 /6

fjr/ff jf 7f/e

Фиг. г

nJ

A

Ш

fj

fptff.J

fff

J Уг У

t/fj t/ff

fff //