Способ дискретного преобразования напряжения и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК H02M3/10 H02M5/22 H02M7/12 H02M9/00 

Дискретность выходного напряжени при равномерном квантовании его по уровню обеспечивают комбинирование числа величин и полярностей подуро ней основного и дополни ельних уров ней напряжений, одновременно вводимых в выходную цепь с помощью управ ляемых. ключей. Общее число уровней выходного на ряжения в пределах одной полярности задается выражением - cv tcycU ))-, 5) и; причем обозначения в вышеприведенных выражениях имеют следующие значения:U -- напряжение наименьшего из уров ней, равное шагу квантования; и. - номер дополнительного уровня напряжения, где h-, « 1, 2, 3 ... (и - 1) , и ; (7 S; - номер подуровня в пределах каж дого дополнительного уровня напряжения, где iS,- - 1, 2, 3 . (9 - 1), 5 ; (8); И - общее число дополнительных уровней напряжения; S - общее число подуровней в преде лах каждого дополнительного уровня напряжения источника пи тания; И - общее число подуровней в преде лах основного уровня напряжет НИН; d - число, характеризующее возможность одновременного ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжений согласно и (или) встречно между собой в любых возможных сочетаниях и принимающее значение О, 1, 2; число, характеризующее возможность вывода из выходной цепи одного или нескольких любых дополнительных уровней напряже ний при любых возможных .сочета ниях одновременно выводимых уровней напряжений и принимающее значение 0,1; С - число, характеризующее возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжения при выведенном основном уровне напряжения и принимгиоще значение 0,1; Р - число. Характеризующее возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряхсе ния встречно и согласно с каждым .из И1 подуровней основного уровня напряхсения и принимающе значение0,1,2. Недостатком способа является то, t что при преобразовании переменных напряжений ключи основной части устройства для осуществления этого Способа переключают на повышенной частоте , в связи с чем КПД преобразования напряжения уменьшается с увеличением частоты переключения ключей и с уменьшением величины преобразуемых напряжений. Если частота первичного источника питания достаточно высока, то потери будут очень велики и су-, ществует такая критическая частота напряжения первичного источника, J. когда преобразование энергии переменного тока известньм способом нерационально, так как частота первичного источника и звена повышенной .частоты становятся достаточно близкими и не могут быть выбраны произвольно как, например, при преобразовании постоянного напряжения в постоянное. Кроме того, ключи для осуществления способа должны быть снабжены устройствами искусственной коммутации для предотвращения появления сквозных токов во вспомогательных параллельных преобразователях и т.п. Это усложняет устройство и снижает его на1дежность. Целью изобретения является повыше- ние КПД и надежности в процессе преобразования энергии, а также упроще- ние и расширение области рабочих частот при преобразовании переменных i напряжений. Поставленная цель достигается тем, что выбор дополнительных уровней производят с частотой напряжения питающей сети, при этом ключи каждой преобразовательной ячейки переключают в режиме вольтовычитания встречно с напряжением первичного источника, а в режиме вольтодобавки - согласно с ним при естественной коммутации тока ключей, а общее число уровней выходного напряжения выбирают в соответствии с выражением :i ccvcie- vy p) из которых одну половину получают в.противофазе с другой половиной, причем . . - (авиУи Чс а де d О , 1, 2 число характеризующее возможность одновременного ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжений согласно и (или) встречно между собой в любых возможных сочетаниях; общее число подуровней в пределах каждого дополнительного уровня напряжения источника питания; - общее число дополнительных уровней напряжения;- число (равное О или 1), характеризующее возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжения при выведенном основном уров не напряжения; общее число подуровней в пределах ос-:новного уровня напря жения; число,характеризуюР О, 1, 2 щее возможность ввода в выходную цепь д полнительных уровней напряжения встречно, или согласно или встречно и согласно с каждым из к поду-ровней основного, уровня напряжения Наиболее близким к предлагаемому .по технической сущности устройством для реализации способа является регулятор напряжения переменного тока (JH). В этом регуляторе, содерх ащем суммирующую цепь из последовательно соединенных четырехплечевых мостов, диагонали которого включена вторичные обмотки трансформатора, воз. можно cTyrteH4aToe регулирование выходного н&пряжения без искгикения Формы выходного напряжения. Однако этсялу регулятору присущи и некоторые недостатки: повыиенные потери в полупроводниковых элемента суммирующей цепи, повышенные масса и габариты основной части регулятора. При этом с увеличением числа последовательно включенных мостовувеличиваются потери, что ограничивает повышение точности и плавности регулирЬвания напряжения, сухсается диапазон регулирования, а при низких .напряжениях регулирование вообще нево мшсно. Так, при наличии четырех мос тов и падения напряжения на его пле чах равном 1,5 В регулирование напряжения возможно только при напряже ниях больших 12 В. Известный преобр зователь -не позволяет в полной мере реализовать возможности предлагаемого способа преобразования энергии Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, реализующем предлагаемый способ, содержащем инвёрторные ячейки на управляемых клю чах с двухсторонней проводимостью, выходным выводам каждой из которых подключены зашунтированные полность управляемьли1и ключами первичные обмотк трансформаторов, вторичные обмотки этих трансформаторов соединены посл довательно, образуя суммирующую цепь, которая одним своим концом образует один выходной вывод устройства, а другим концом подключена через один последовательный управляемый ключ с двухсторонней проводимостью к первому входному выводу устройства и через второй шунтирующий управляемый ключ - к второму его входнс 1у выводу, объединенному с другим выходным выводом устройства, к которому подключены также одни силовые входные выводы всех инверторных ячеек, причем одни силовые концы одних ключей этих ячеек объединены и подключены к первсмлу входному, выводу устройства, силошле концы других ключей инверторных, ячеек также объединены между собой и подключены к точке соединения последовательного и шунтирующего управляемых ключей с двухсторонней про водимостью. На фиг.1 и 2 представлены упрощенные варианты известного преобразователя , реализукйцего предложенный способ; на фиг.З и 4 - варианты предложенного устройства; на фиг. 5 и 6таблицы кодов и диаграммы выходных напряжений, поясняющие работу устройства. На фиг.1 изображено устройство, содержащее силовые трансформаторы {1-3, имеющие обмотки 4-6, соединенные в суммирующую цепв, и первичные Ьбмотки 7-9, зашунтированные ключами 10-12. Инверторные ячейки 13-15 мостового типа присоединены параллельно источнику питания и выполнены на ключах 16-19. К входным выводам устройства присоединены ключи 20 и 21 одним зажимом, а вторые зажимы этих ключей подсоединены к зажиму обмоткк 4 суммирующей цепи. Ключи 16-19 в совокупности с выходным трансформатором образуют инверторные ячейки устройства. В устройстве на фиг.2 ключ .16 каждой преобразовательной ячейки присоединен к ключу 20 со стороны первичного источника, а ключ 17 присоединен к ключу 20 со стороны обмоток 4-6 суммирукяцёй цепи. Инверторные ячейки на фиг. 3 и 4 выполнены по схеме с нулевым выводом обмотки. Приэтом на фиг.4 показано раздельное присоединение ключей 16 и 17. Все ключи основной части имеют двухстороннюю проводимость и переключаются с частотой источника питания при полном угле управления с 180 зл. град. Выходные напряжения преобразователя (фиг.1) т получают комбинированием включений и выключений напряжений о(оток 4-6 суммирующей цепи и первичного источника питания при непрерыаном периодическом переключении с частотой первичного источника питания ключа 20 (21). Вольтодобавочное напряжение на

обмотках 4-6 или на некоторых из них получают периодическим одновременным переключением ключей 16 и 19 (фиг.1) согласно с напряжением источника питания. ВольтОвычитающее напряжение на обмотках 4-6 или на некоторых из них получают периодическим одновременным, переключением ключей 17 и 18 встречно с напряжением источника питания. Напряжение на обмотках 4-6 или некоторых из них (например, на обмот-Ю ке 4), равное или близкое кнулю, получают при выключенных ключах ISIS и периодическом переключении ключа 10 (11 или 12) с частотой питающей сети; при отсутствии ключа 10 15 ключи 16 и 17 выключены, а ключи 18 и 19 переключаются. Выходное напряжение получается как сумма напряжений источника питания и суммарного напряжения на ойиотках 4-6 суммирую- 20 щей цепи. Напряжение источника питания может быть исключено из суммирующей цепи, при этом ключ 20 выключен, а ключ 21 переключается с частотой питающей сети. С помощью других уст- 25 ройств (фиг.2-4) способ реализуется аналогично.При наличии дополнительных отпаек первичного источника питания вводят дополнительные ключи, с помощью KOTojxJX соединяют каждую отпай- ,-. ку с обмоткой параллельного преобра- зователя. Возможны устройства, выполненные по многофазной схеме, на вспомогательных преобразователях, включенных последовательно с нагрузр. кой и т.п..

Преобразователи переменного нап-г ряжения могут быть выполнены при любых значениях параметров W, h , S. На фиг.1-4 для простоты показаны лишь преобразователи при и 40. У 3,

На $иг,5а - г даны примеры составления таблиц кодов для реализации предложенного способа преобразования напряжения. Эти коды реализуются с 45 помощью ключей 10-12 и 16-21 (фиг.1-4) и диаграммы (фиг.5д-ж). Ввод напряжения питания () в цепь нагрузки осуществляется включением ключа 20 (ключ 21 выведен). Это со- Q ответствует коду 1 (фиг.5д). Вывод напряжения питания из цепи нагрузки осуществляется отключением ключа 20 и включением ключа 21, что соответствует коду О (фиг.5 д) . Коды, харак- «г теризукщие ввод в цепь нагрузки и вывод из нее напряжения питания для преобразователей на фиг.1-4, включены во второй слева столбец таблицы фиг.5 а.

Ввод и вывод напряжения обмоток . 0 4-6 суммирующей цепи характеризуются следующими кодами: О - напряжение обмоток выведено; 1- напряжение оботок введено согласно ( в фазе) с апряжением питания, (-1) - напряже- 65

ние обмоток введено встречно (в протовофазе) с напряжением питания. В следующих столбцах таблиц на фиг.5 аг внесены коды ввода и вывода напряжений суммирующей цепи: U4 напряжение на обмотке 4; наряжение на обмотке 5; (J напряжение на обмотке 6.

Реализация кодов осуществляется с помощью ключей 10-12 и 16-19 в соответствии с диаграммами на фиг.5

Для наглядности рассмотрим реализацию кода О различными способами. Так код О может осуществляться включением ключа 10 .(вывод 04) или ключа 11 вывод И. или 12 { вывод и прИ; выключенных ключах 16-19 (фиг.1-4). Код О может быть также реализован одновременным вк лючением ключей 16-17 в первый полупериод и ключей 1819 во второй полупериод (фиг.1). Код О можно реализовать включением ключей 18-19 (фиг.2). При реализации кода О первым способом достигается возможность уменьшения потерь в ключах 10-12, так как, во первых, пр этом в цепи включается только один ключ, во вторых, этот ключ может быт присоединен к любой имеющейся обмотке по автотрансформаторной схеме с большим числом витков обмоток или к дополнительной обмотке с большим числом витков с целью уменьшения тока через этот ключ. При преобразован низких напряжений возможно уменьшение тока, а следовательно, и потерь в десятки раз. На.фиг,6 в качестве примеров показаны диаграммы напряжений питающей и напряжения U4 Ug на обмотках 4-6, а также напряжения на нагрузке UM , получ-аемого как алгебраическая сумма напряжений /и, U4 , и, Uft. Диаграммы нап:ряжений на фиг.6 а-г совмещены с диаграммами работы ключей. Диаграммы на фиг.ба соответствуют коду 35 (фиг. 5 а) и реализуются преобразова телями, показанными на фиг.1-4. Диаграммы на фиг.6 г реализуют код .i22 (фиг.5 а) в преобразователях, показанных на фиг. 1-4.

Аналогичным образом могут быть получены все другие диаграммы напряжений, получаемых комбинированием ввода и вывода напряжений обмоток .4, 5 и 6 и напряжения питающей цепи (л/и) в цепь нагрузки. Схему устройства и алгоритм управления выбирают в зависимости от конкретных задач, поставленных перед проектировщиком. Так алгоритм, реализуемый кодами (фиг.5 а) в преобразователях на фиг.4, используют при необходимости регулирования выходного напряжения от О до напряжения выше входного, если при этом не требуется гальваническая развязка источника с нагрузкой, а к массогабаритным показателям

предъявляются повышенные требования. Если диапазон регулирования выходного .напряжения небольшой, а требования к КПД высокие,то более выгодно использование кодов таблицы 5 б и схемы, в которой отсутствуют ключи 20 и 21 в цепи нагрузки. Если же, к КПД предъявляются высокие требования и необходим широкий диапазон регулирования выходного напряжения, то целесообразно применение кодов (фиг.5 в), а если к тому же требуется гальваническая развязка цепей питания и нагрузки, измерение фазы выходного напряжения, то используют коды Фиг.5 г. В столбце б на фиг. 5 а и в столбцах 5 на фиг.5 б-г вписаны в качестве примера значения выходных напряжений в вольтах приicU27 В; tb 9В, В, дляфиг.За б,- и 13 В; U4 9 В; Uj- 3 Ё; для фиг. 5 в; и -9 В; Ос-- 3 В; для фиг .5г.Диаграммы напряжений на фиг.С показаны при полном угле управления. В этом случае реализуется передача желаемого уровня без искажения. На тиристоры ( с двухсторонней проводимостью или на каждый из двух встречно включенных тиристоров односторонней проводимости) в соответствии с реализуемым кодом управляющие импульсы в начало каждого полупериода с частотой питающей сети.. Возможно и фазовое управление тиристорами для регулирования выходного напряжения, но при этом искажается форма выходно го напряжения. По предлагаемому способу при высоких требованиях к точности регулирования и форме выходног напряжения выгодно увеличение числа ячеек. С увеличением числа ячеек число уровней резко возрастет.

При увеличении числа ячеек схема усложняется, но зато возможно неискаженное преобразование напряжения, высокая точность регулирования (стабилизации) напряжения. Масса регулятора при этом практически не увеличивается, КПД не ухудшается.

Предлагаемый способ позволяет производить регулирование выходного напряжения не только с помощью бесконтактных, но и с помощью контактных ключей которые имеют малые потери .

Известно, что динамические потери при управлении (при включении и выключении, т.е. при ко пиутации) тиристоров прямо пропорциональны частоте коммутации. В известных преобразова.телях эти потери при повышенной -час.тоте соизмеримы и Дс1же выие остальны составляющих полных потерь, следовательно, КПД тиристорного блока основной части предлагаемого преобразоватля может быть увеличен .более, чем в

два раза. Учитывая, что КПД силового трансформатора при любых значениях преобразуемых напряжений может достигать величины 0,95 + 0,99, то при относительно низких преобразуемых напряжениях КПД преобразователя зависит практически только от потерь в ключах.

Таким образом, можно считать, что при низких преобразуеюлх напряжениях и достаточной высокой частоте синусоидального напряжения первичного источника КПД преобразователя по предлагаемому способу может быть увеличен вдвое только за счет коммутационных потерь. Этот вывод справедлив и для ключей на транзисторах.

Кроме ко1 о4утационных потерь возможно уменьшение также составлшощей мощности потерь, обусловленной падением напряжения от прямого тока. Эта составляющая потерь уменьшается в схемах на фиг.2 и 4 ( в KOTOEXJX ключ 17 присоединен к ключу- 20 со стороны суммирующей цепи) в режиме вольтовычитания, а в преобразователях без ключей 20 и 21 - во всех режимах. Так, при понижении выходного напряжения вдвое потери в последних преобразователях снижаются в 2 раза по сравнению с потерями в преобразователе на фиг.4 и в 3 раза по сравнению с потерями в преобразователе на фиг.З, а потери в преобразователе на фиг.4 по отнсялению к преобразователю на фиг.З - в 1,5 раза. Потери уменьшаются также за счет исключения ключей четырехплечих мостов из суммирующей цепи.

Повышение надежности и упрощение обусловлены в основном тремя факторами. В предлагаемо преобразователе отсутствуют устройства искусственной коммутации. Исключается возможность появления сквозных токов во вспомогательных параллельных преобразователях, а также возможность короткого замыкания, возникающего в известном преобразователе при срыве коммутации.

При частоте напряжения источника питания, близк й к предельно допустимой частоте коммутации тиристоров, преобразование по известному-способу невозможно, но возможно по предлагаемому способу, т.е. при естественной коммутации тиристоров. Отсюда следуе что предлагаемый способ позволяет расширить рабочую область частот. Эт выгодно, например, при регулировании синусоидального напрях ения с частото регулируемой в широком диапазоне.

Таким образом, использование предлагаемого способа преобразования напряжения выгодно отличает его от известных, так как увеличивается КПД преобразования, уменьшается маеса и габариты, повышается надежност упрощается основная часть преобразо вателя и расширяется рабочий диапазо частот. Предлагаемый способ особенно эффективен для регулирования относительно низких напряжений переменно тока, а также при широком диапазоне рабочей частоты первичного источника верхний предел которого близок к тредельно допустимой частоте работы ключей. Формула изобретения 1. Способ дискретного преобразова ния напряжения по-.авт.св. 892610, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности, а упрощения реализующей его; аппаратурам и расширения области применения, выбор дополнительных уровней производят с частотой напряжения питающей сети, при этом ключи каждой преобразовательной ячейки переключают в режиме вольтовычитания встречно с напряжением первичного источника, а в режиме вольтодобавки - согласно с ним при естественной коммутаций тока ключей, а общее число уровней выходного напряжения q, выбирают в соответствии с выраженная ( + Hi3, из которых одну половину с);, получают в противофазе с другой половиной, причем а - (ds-n)l е А где , 1, 2 - число, характеризую щее возможность одновременного ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжений согласно и (или) встречно между собо в любых возможных сочетаниях; общее число подуров ней в пределах каж дого дотюлнительног уровня напряжения источника питания; общее число дополнительных уровней напряжения; 6 - число (равное О или 1) г характеризующее . возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжения при выве дённом основном у уровне напряжения; И - общее число подуровней-в пределах основного уровня напряi - жени;;; , 1, 2- число, характеризующее возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжения встречно или согласно или встречно и согласно с каждым из И1 поду« . .ровней основного уровня напряжения. 2, Устройство для осуществления способа дискретного преобразования напряжения, содержащее инверторные ячейки на yпpaвляe иx ключах с двухсторонней проводимостью,к выходншлJ , выводам каждой из которых подключены за: шунтированные полностью управляемыми ключами первичные обмотки трансформаторов, вторичные обмотки этих трансфОЕ 1аторов соединены последовательно, образуя суммирующую цепь, которая одним своим концом образует один выходной вывод устройства, а другим концом подаслючена через последовательный управляемый ключ с двухсторонней проводимостью к первому входному выводу устройства и через второй шунтирующий управляемы ключ - к второму его входному вазЬру, объединенному с другим выходным выводом устройства, к которому подключены также одни силовые входные выводы всех инверторных ячеек, причем одни силовые концы одних ключей этих ячеек объединены и подключены к первому входному выводу устройства, о тличающееся тем, что с:йло- вые концы других ключей инверторных ячеек также объединены между собой и подключены к точке соединения последовательного и шунтирующего управляемых ключей с двухсторонней проводимостью. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 892610, кл. Н 02 М 5/12, 19.12.78,

o:

.5

K/jH)Hif

Уиг12 Ри тФиг..е

10(11. 12)

ТЕМ

IL

17iS

17

(риг. 1

5-11- 18-19, JS-13 17-18 .

Фиг.5 .

К/1ШЧ1

ЙУ. f

f6 17-iS Ж