Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК H02M7/48 

ключанные к шинам питания, а также блок управления, состоящий из синхронизированных генератором опорного напряжения фазовых модуляторов и дискриминатора уровня, причем к выходу каждой ячейки подключена первая обмотка соответствующего трансформатора, вторые обмотки которых объединены в общем контуре, отличающ е е с я тем, что, с целью повышения надежности при одновременном улучшении массогабаритных и стоимостных показателей и при отсутствии требований по гальванической развязке питающего и выходного напряжений, на каждую фазу введены по два диодных выпрямителя, дополнительный трансформатор, первая обмотка которого соединена с силовым выходом упомянутого генератора, а вторая обмотка объединена с вторыми обмотками трансформаторов ячеек в последовательную цепь, в которой половина обмоток упомянутых трансформаторов включена согласно с обмоткой дополнительного трансформатора, а половина встречно, концы цепи соединены с входами первого выпрямителя,входы вто.рого выпрямителя связаны с последовательной цепью,составленной из третьих обмоток трансформаторов ячеек,в которой также половина обмоток включена встречно, а половина - согласно с третьей обмоткой дополнительного трансформатора, причем вторая и третья обмотки каждого трансформатора ячейки включены в последовательные цепи во взаимно противоположном между собой направлении по отношению к соответствующей обмотке дополнительного трансформатора, два разнополярных вывода выпрямителей соединены между собой и образуют соответствующий выход устройства, два других подключены в непроводящем направлении к шине1м питания.

1. Способ Преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное путем инвертирования постоянного напряжения в переменные прямоугольные напряжения, которые модулируют по фазе относительно одного прямо- с угольного напряжения, затем суммированием модулируемых и опорного напря(Л жений фор мируют одно результирующее напряжение, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности преобразования при повышенном напряжении питания, упомянутые модулируемые и опорное напряжение дублируют, фазы вторых кюдулйруемых напряжений изменяют на противоположные по отношению к фазе первых модулиру 4ых напряжений из вторых напряю жений, вырабатывают второе результируюЕяёе напряжевйе, затем каждое из о:) упомянутых результиругщих напряжений сд шлтрямляют причем с помощью одного выпрямленного напряжения задают потенциал ;е на нагрузке в положительном направлении относительно отрицательного вывода источника питания, а с помсяиью другого выпрямленного напряжения - потенциал на нагрузке в отрицательном направлении относительно положительного вывода источник ка питани.я. 2. Устройство для преобразования постоянного напряжений в квазисинусоидапьное с многофазным выходом, содержащее инвёрторные ячейки и генератор опорного напр;яжения, под

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в частотно-управ ляемых электроприводах и вторичных источниках питания. Известны инверторы, в которых пр образование напряжения осуществляе без гальванической трансформаторно развязки, т.е. без согласования уровней питающего напряжения и напряжения нагрузки. Известен инвертор с питанием от источника постоянного напряжени выходы которого образованы парами полупроводниковых (обычно транзисто ных) ключей, переключающихся в прот вофазе в режиме широтно-импульсной модуляции 1. При увеличении мощности и перехо к бестрансформаторному питанию чере выпрямитель от сети переменного ток 380 Несущественного увеличиваются трудности.на пути создания таких пр образовательных устройств. Известны устройства 2 и з , в которых реальные преобразователи с широтно-импульсным управлением от личаются очень большой сложностью построения управляющей цепи и силовой цепи, где требуется введение большого количества дополнительных реактивных элементов, значительно ухудшающих технологичность изделия повьаиаюших его стоимость. Кроме того, очень высока стоимос сильноточных высоковольтных транзисторов, необходимых при создании мощных приводов с непосредственным питанием от переменной сети 380 В. Если же сильноточные ключи собирать на базе параллельных сборок относительно слаботочных транзисторов,то появляются дополнительные трудности из-за неравномерности распределения токов в динамике, в момент выключения. Это резко снижает надежность работы ключей на высоких напряжениях и требует снижения максимально допустимой величины питающего напряжения. Высоковольтные транзисторы имеют обычно низкий козффициент усиления по току, и при управлении ключами в режиме широтно-импульсной модуляции расходуется большая мощность в цепи управления. Для обеспечения нормальной работы ключей нужны дополнительные гальванически развязанные источники, от которых и забирается мощность на управление. Проблема создания алстродействующей и развязанной от силовой цепи системы управления силовыми ключами является сложной. Силовые транзисторы крайне чувствительные к перегрузкам, поэтому необходима исключительно быстродействующая система защиты инвертора от различных видов перегрузок. Известны преобразователи, содержащие промежуточное звено повышенной частоты 43 ,1(1. ; При использовании промежуточного эвена повышенной частоты легко организуется режим АШИМ, при этом в несколько раз умеиьшается уровень нелинейных искажений по сравнению с режиме ШИМ. Этот принцип примениется и в приводах 5}. Инверто с промежуточным высокочастотным преобразованием развязывают нагрузку от цепи питания и одновременно согласовывают уровни входных и выходных напряжений с помощью демодуляторного узла, выполненного на активных приборах с двусторонней проводимостью р и Ц. Применение активных приборов в де модуляторе сильно снижает надежность работы и увеличивает потери мощности В некотОЕнлх случаях не требуются согласование и развязка, поэтому демодулятор может быть упрощен. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ преобразования с промежуточным повыаением частоты в преобразователях с суяшированием в общем контуре, эаключакнцийся в преобразовании постоянного напряжения источника питания в переменные прямоугольные напряжения, которые модулируют по фазе относительно одного прямоугольного опорного напряжения, затем из модулируе а 1х и опорного напряжений путем их суммирования формируют результиру ющее напряжение {71. Известно устройство для осуществления способа П Е еббразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное содержащее инверторные ячейки и генератор опорного напряжения, подключенные к шинам источника постоянного напряжения, а также блок управления, состоящий из синхронизированных генераторов опорного напряжения фазркях модуляторов уровня,при э-кял к выжолу каждой ячейки подключе на первая оамотка соответствующего трансформатора, вторые обмотки которых объединены в обшем контуре . Недостатком известного технического решения является невысокая надежность работы и сравнительно высокие массогабаритные и стоимостные показатели устройства на его осно|ве, обусловленные построением демощуляторов на ключах с двусторонней {Проводимостью. Цель изобретения - повьйиение надежности преобразования при повышенном капряжении питания и одновремен ное снижение массогабаритных и стоимостных показателей. Поставленная цель достигается тем что согласно способу преобразования постоянного напряжений в квазисинусо идальное, заключающемуся в инвертироваиии постоянного напряжения в пе р менные прямоугольные напряжения, которые модулируют по фазе относи тельно одного опорного прямоугольного напряжения, затем су1«4ированием модулируемых и опорного напряжений формируют одно результирующее напряжение,упомянутые модулируемые и опорное напряжения дублируют,фазы вторых модулируемых напряжений изменяют на противоположные по отношению к фазе первых модулируемых напряжений, из вторых напряжений вырабатывают второе результирующее напряжение, затем каждое из упомянутых напряжений выпрямляют,причем с помощью одного выпрямленного напряжения задают потенциал на нагрузке в положительном направлении относительно отрицательного вывода источника питания, а с помощью другого выпрямленного напряжения потенциал на нагрузке в отрицательном направлении относительно положительного вывода источника питания. В устройство, реализующее предлагаемаК способ и содержащее инверторные ячейки и генератор опорного на пряжения, подключенные к шинам питания, а также блок управления, состоящий из синхронизированных генераторе опорного напряжения фазовых модуляторов и диксримйнатора уровня, йричем к выходу каждой ячейки подклю|ч ена первая обмотка соответствуюЫего трансформатора, вторые обмотки которых объединены в оацем контуре, дополнительно на каждую фазу нагрузки введены по два диодных выпрямителя и дополнительный трансформатор,первая обмотка которого соединена с си-, ловым выходом упомянутого генератора, а вторая обмотка объединена с вторыми обмотками трансформаторов ячеек в последовательную цепь, в которой половина обмоток упомянутых трансформаторов включена согласно с обмоткой дополнительного трансформатора, а половина - встречно, концы цепи соединены с входами первого выпрямителя, входы второго выпрямителя связаны с последовательной цепью, составленнвй из третьих обмоток трансформаторов ячеек, в которой также половина обмоток, включена встречно, а половина - согласно с третьей обмоткой дополнительного трансформатора, причем вторая и третья обмотки каждого трансформатора ячейки.включены в последовательные цепи во взаимнопротивоположном между собой направлении по отношению к соответствующей обмотке дополнительного трансформатора, два разнополярных выхода выпрямителей соединены между собой и образуют соответствующий выход устройства, а два других подключены в непроводящем направлении к шинам питания. На фиг. 1 изображена структурная схема п-фаэного инвертора на четырех ячейках; на фиг. 2 - времен ные диаграммы напряжений в уст- . . роЯстве при Ugj 7 О; на фиг. 3 - то ж при на фиг. 4 временные диа раммы выходных напряжений и тока (Ugbiy , ,i5t J; i На фиг. 1 обозначены инверторные ячейки 1д, генератор опорного напряжения 2, трансформаторы ячеек и генератора Зу, первые обмотки трансформаторов 4 - 4, вторые обмотки трансформаторов 5, третьи обмотки трансформаторов 6 выпрямители Ту- 7, нагрузки блок управления 9, инверторы для одной фазы нагрузки 10,. Инверторные ячейки генератор опорного напряжения 2 включены между шинами источника постоянного напряжения (+U,-U). Выход инверторной ячейки соединен с первой обмоткой 4. - 4 4 транзформатора 3 - З. / э. выход генератора 2-е первой обмоткой 4 трансформатора . Вторые обмотки трансформатора 5 - 5 подключены к входу выпрямителя 7) , а третьи обмотки б5- этих же трансФорматоров - к входу выпрямителя 7. Общая точка выпрямителей подсоединена к одной фазе п-фазной нагрузки 8 Входы ячеек соединены с выходами модуляторов блока управления 9. Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное осу адествляется следующим образом. Постоянное напряжение источника преобразуется в прямоугольные напряжения f которые в зависимости от входного сигнала Ug,x модулируют ся по фазе ошноситель.но опорного пря моугольного напряжения 5 , Затем модулируемые и опорное напряжение сум мируются в первом контуре. Модулируемые и опорное напряжение дублируют таким образом что фазы вторых модулируемых, напряжений 64 по отношению к фазе второго опорного напряжения 6 изменяют на противоположное :по сравнению с фазой первых модулиру ёмых напряжений 5 - 5 по отнсяиению к фазе первого опорного напряжения 5 Все вторые напряжения об единяют во втором контуре, т.е. вырабатывают второе общее напряжение, затем каждое из упомянутых напряжений обоих контуров выпрямляют и регулируют синхронно и в противофазе. С помощью одного выпрямленного напряжения опре деляется потенциал на нагрузке в положительном направлении относительно отрицательного вывода источника питания - и (4) f ас помощью другого выпрямленного напряжения потенциал на нагрузке в отрицательном направлении относительно положи тельного вывода источника питания + и ( 4 ) . Устройство работает следующим образом. При Ug 0 выходные напряжения ячеек не сдвинуты по фазе относительно опорного напряжения, амплитуда которого равна половине пряжения источника питания. Так как вторые и третьи обмотки трансформаторов 3 и 3 включены., встречно относительно соответствующих обмоток трансформаторов 3 и 3,2. , то на входы выпрямителей 7 и 7 поступает лишь опорное напряжение, и на выходах выпрямителей получается сигнал равный половине напряжения источника питания, при этом на нагрузке - нулевой сигнал относительно этого среднего потенциала шин источников питания. При Ug,(,7 О изменяется фаза выходного напряжения ячейки 1 . Соответственно этому изменяются напряжения на входах и выходах выпрямителей 7 и 7 . Причем, если напряжение на выходе выпрямителя 7 относительно шины силового источника питания +U уменьшается, то на выходе выпрямителя 7 относительно шины силового источника питания -U оно на такую же величину увеличивается. Эти изменения во времени происходят синхронно (фиг. 2). Максимальное напряжение фазы напряжения инверторной ячейки 1 i равно 180°. При дальнейшем увеличении входного напряжения сдвиг фазы напряжения инверторной ячейки 1 остается неизменным и максимальным (180) и начинается изменения фазы напряжения второй инверторной ячейки 1 . При максимальном входном напряжении сдвигчфазы напряжения и этой ячейки достигает 180° , что соответствует максимальному значению выходного напряжения на выходе фазы инвертора. При отрицательном значении напряжения фазы напряжений первый двух инверторных ячеек неизменны и равны О, а изменяются фазы напряжений сначала третьей 1з/ а затем четвертой 1 инверторных ячеек до 180 {фяг.З},, На этой фиг. 4 изображены выходные напряжения верхнего и нижнего выпрямителей, каждое из которых имеет в качестве опоры потенциал верхней и нижней шины источника питания. Из диаграммы видно, что сумма напряжений выпрямителей в любой момент времени всегда равна или несколько меньше (на 1-2 В) величины напряжения питания его источника. Благодаря этому не возникает режим К,3. и в то же время обеспечивается вполне определенное положание потенциала выхода в любой момент времени.

На фиг. 4 приведена также диаграмма тока при работе на активноиндуктибную нагрузку и показано, что при одном направлении тока в нагрузке работает только один из выпрямителей независимо от величины выходного напряжения, а при друГ « направлении тока в нагрузке

вступает в рабрту второй выпрямител а предыду1вий переходит в режим холостого хода.

i Число инверторных ячеек определяется мощностью инвестора и допустимыми токами через ячейку.

Амплитуды выходных напряжений на второй и третьей обмотке трансформатора генератора опорного напряжения должны равняться половине напряжения источника пит.ания и превышать амплитуды напряжений на второй и третьей обмотках каждого трансформатора инверторной ячейки в число раз равное количеству ячеек в фазе инвертора. Мощность генератора опорного напряжения на каждую фазу нагрузки должна составлять половину мощности фазы.

Предлагаемое устройство значительно сокращает число элементов на одну фазу нагрузки, так как демодуляция в нем осуществляется на простых диодных ылпрямителях без ключей .

с двухсторонней проводимостью, поэтому резко повышается надежность работы устройства и снижаются массогабаритные и стоимостные его показатели.: .

%i % /

T

.г