Преобразователь постоянного напряжения в переменное Советский патент 1984 года по МПК H02M7/537 H02M7/48 

СП

со ел

СХ) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания и электропривода для преобразования постоянного напряжения в переменное. Известен преобразователь, работающий по принципу полуслежения, состоящий из источника опорного синусоидального напряжения, генератора тактовой частоты и двух пороговых элементов, совместно с генератором тактовой частоты управляющих работой выходного каскада. В данной схеме период модуляции, определяемый тактовым генератором, является величиной постоянной, что позволяет при выделении первой гармоники, выходного напряжения использо имеющие небольщие массу вать фильтры, и габариты 1. Однако устойчивый режим работы данного преобразователя может быть обеспечен только при определенных условиях и точность воспроизведения на выходе преобразователя синусоидального опорного напряжения оказывается невысокой. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий выходной инвертор, фильтр и блок управления,, в который входит задающий генератор, магнитный усилитель, пороговый элемент, источник опорного напряжения и интегратор. Известная схема преобразователя за счет стабилизации и расширения глубины модуляции позволяет улучщить массогабаритные показатели фильтра и повысить КПД 2. Однако известный способ формирования импульсного напряжения на выходе инвертора в этой схеме не является оптимальным, поскольку не обеспечивается симметрия импульсов в течение полуволны выходного напряжения относительно середин полуволн, что обуславливает наличие в выходном напряжении четных гармоник, близких к пер вой. При этом имеет место модуляция, по своим свойствам относящаяся к односторонней модуляции, которая по сравнению с двухсторонней модуляцией при одинаковых соотнощениях между несущей частотой и частотой модуляции не обеспечивает минимальной величины искажений модулируемого сигнала. Целью изобретения является снижение массы и габаритов фильтра.путем улучщения спектрального состава выходного напряжения инвертора. Цель достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения в переменное, содержащем выходной инвертор, фильтр и блок управления, в который входит задающий генератор и магнитный усилитель, в блок управления введен делитель частоты, суммирующий логический узел управления. цифро-аналоговый преобразователь, магнитный мультивибратор, вспомогательные ключи, причем выходы задающего генератора соединены с синхронизирующим входом магнитного мультивибратора и с входом делителя частоты, выход делителя частоты связан с входом суммирующего логического узла управления, один выход которого подключен к управляющему входу цифро-аналогового преобразователя, а другой - к управляющим входам ключей выходного инвертора, рабочие и управляющие обмотки указанного магнитного усилителя первым выводом соединены через вспомогательные ключи с первым выводом выходной обмотки магнитного мультивибратора, соединенный вторым выводом с общей щиной, к которой подключены вторые выводы рабочих обмоток магнитного усилителя и первый выходной вывод и цифро-аналогйвого преобразователя, к второму выходному выводу которого подключены вторые выводы управляющих обмоток магнитного усилителя, выходные обмотки Л)торого подсоединены к входу суммирующего логического блока управления. На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Преобразователь состоит из силового каскада и блока управления. Силовой каскад включает в себя инвертор 1 и фильтр 2. Инвертор 1 может быть выполнен по любой известной схеме, например по схеме с трансформаторной средней точкой, состоящей из силового трансформатора 3 и силовых ключей 4 и 5. Выходная обмотка трансформатора 3 через фильтр 2 подключена к нагрузке 6. Блок управления содержит задающий генератор (ЗГХ 7, магнитный мультивибратор 8 с трансформатором 9, делитель 10 частоты суммирующий логический блок 11 уп равления (ЛБУ), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 12, блок 13 обратной связи (ОС), источник 14 постоянного опорного напряжения и щиротно-импульсный модулятор 15. Один из выходов задающего генератора подсоединен к синхронизирующим входам мультивибратора 8. Второй выход ЗГ 7 через делитель 10 частоты подключен к суммирующему ЛБУ, выход которого, в свою очередь, Подсоединен к .управляющему вхОду ЦАП. Второй питающий вход ЦАП подключен к выходу блока ОС 13. Входы блока ОС соответственно подключены к источнику 14 постоянного опорного напряжения и к выходу фильтра 2. Широтно-импульсный модулятор 15 содержит два магнитных усилителя (МУ) 16 и 17 и вспомогательные ключи 18-21, разт деляющие рабочие и управляющие интервалы МУ. Управляющие входы этих ключей подсоединены к выходам мультивибратора 8. Вместо транзисторных ключей 18-21 можно использовать неуправляемые диодные ключи, однако это приводит к заметному уменьшению диапазона регулирования Одни концы рабочих и управляющих обмоток подключены через вспомогательные ключи к одному из выводов выходной обмотки 22 трансформатора 9. Второй вывод обмотки 22 подсоединен к шине питания, которая имеет общую точку соединения с одним из выходов ЦАП 12. Вторые концы рабочих обмоток через ограничивающие резисторы 23 и 24 подключены также к щине питания, а вторые концы управляющих обмоток - к второму выходу ЦАП 12. Выходные обмотки 25 и 26 магнитных усилителей подсоединены к входам ЛБУ. Выходы ЛБУ подключены к управляющим входам силовых ключей 4 и 5 инвертора 1. Схема работает следующим образом. На обмотке 22 трансформатора 9 формируется прямоугольное напряжение Цг с периодом Т. Величина этого напряжения пропорциональна напряжению источника, питающего преобразователь (фиг. 2а). Для упрощения принято, что величина напряжения Ц}2 I в течение пернрда Т остается постоянной и равной его среднему значению U В управляющем интервале работы МУ 16, когда открыт ключ 19 и закрыт ключ 18, к управляющей обмотке МУ приложено напряжение, среднее за 7/2 значение которого равно Uyi nUn -Ug, где Un -напряжение питания; и -коэффициент пропорциональности между Ц, и Ujg; / Ug -среднее за Г/2 значение напряжения, формируемого на выходе ЦАП (фиг. 26). В течение этого интервала под действием напряжения сердечннк МУ перемагничивается от индукции насыщения (-bBg) до некоторого значения индукции- В (фиг. 2 в) на величину .лВ, определя емую выражением ,-Bo ibJ,(2) где Q и Wv - площадь поперечного сечения сердечника и число витков уп; равляющей-обмотки МУ. В рабочем-.иитервале открыт ключ 18, а ключ 19 закрыт. К рабочей обмотке МУ приложено напряжение пЦ,, под действием которого сердечник МУ перемагничивается от индукции BO до +BS. Время перемагничивания сердечника определяется выражениемt ABWpQ U r«TWD,,x hUn - где Wy- число витков рабочей обмотки МУ. В течение этого времени на выходной дбмотке 25 рассматриваемого МУ формируется положительный импульс напряжения (фиг. 2д) поступающий на вход ЛБУ. Работа магнитного усилителя 17 отличается от работы МУ тем, что управляющие и рабочие интервалы сдвниуты на время полупериода 7/2 работы ЗГ,в результате такого сдвига в управляющем интервале к управляющей обмотке МУ приложено напряжениеUys nUn + Ug.(4) Под действием этого напряжения сердечник перемагничивается на величину В «°АВ Вс Время перемагничивания сердечника в рабочем интервале при равно . yy2lWp -2WvnUn В течение этого времени на выходной обмотке 26 рассматриваемого МУ формируется положительный .импульс напряжения Ui« (фиг. 2е), также поступающий на вход ЛБУ. На выходах ЛБУ формируются импульсные напряжения U и Us (фиг. 2 ж, з), поступающие на управляющие входы силовых ключей 4 и 5 инвертора 1. В течение положительной полуволны выходного напряжения /2 импульсы Ц образуются путем логического суммирования положительных импульсов Uj и импульсов длительностью i (не показаны), дополняющих положительные импульсы U (длительностью t) до полупериода Т12, а импульсы У представляют собой инверсию импульсов U4.B течение отрицательной полуволны аналогичным образом образуются импуль ы U5, а импульсы llj, в свою оче|)едь, представляют собой их инверсию. На выходной обмотке трансформатора 3 формируется двухполярное импульсное напряжение и (фиг. 2 и). Среднее значение этого напряжения за интервал, являющийся рабочим для МУ 16, определяется выражениемU-2mUn(ti-t) 2inUn , 72-2U(r) ВЫХ-jiП-. i где m - коэффициент передачи трансформаторов. Подставляя значение tj из выражения (3) получаем U«..,-4fL(,TW, Ml I J fVI I. I XJ. ъ Если Wg 2W,, то UiMti (nUn -Uyt).(9) Подставляя сюда значения напряжения Uyj из выражения (1) получаем UBHx/ itU9.(10)

За следующий интервал времени, являющийся рабочим для МУ 17, среднее значение выходного напряжения равно

-.()

(fl)

2UnW,

Подставляя значение из выражения (4) при Wy 2Wp получаем

ивых .(12)

Из выражений (10) и (12) видно, что при принятых-допущениях, среднее значение выходного напряжения инвертора за полупериод 7/2 пропорционально среднему значению напряжения за этот же полупериод и не зависит от напряжения питания преобразователя. Это снижает влияние нестабильности входного напряжения на выходное, уменьщает искажения формы выходного напряжения, вызванными возмущениями на входе. Обратная связь по выходному напряжению (блок 13) обеспечивает стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки. Если не требуется высокая стабильность выходного напряжения или ток нагрузки постоянен, то обратную связь можно исключить, подключив на вход ЦАП источник постоянного опорного напряжения.

Формирование на выход ЦАП многоступенчатого напряжения производится таким образом, чтобы его среднее значение

было пропорционально среднему за тот же период времени значению синусоидального напряжения. Поэтому полезная (средняя) составляющая выходного напряжения инвертора также изменяется по синусоидальному закону.

.Формируемое на выходе инвертора напряжение относится к щиротно-импульсной модуляции третьего рода, имеющей минимальные искажения повторяемого «апряжения Uj. Кроме того, это импульсное напряжение симметрично относительно середины полуволны выходного напряжения, поэтому в своем спектре оно не содержит четных гармонических составляющих, расположенных близко к основной гармонике. При этом содержание нечетных гармоник, расположенных близко к основной, также значительно меньше, чем при других видах модуляции.

Таким образом, по отношению к известному предлагаемый преобразователь позволяет при одинаковых соотношениях между частотой модуляции и частотой выходного напряжения, а следовательно, и одинаковых потерях мощности на переключение в силовом каскаде получить высокое качество выходного синусоидального напряжения при минимальных массе и габаритах выходного фильтра.

-ь

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЦОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ, содержащий выходной инвертор, фильтр и блок управления, в который входит задающий генератор и магнитный усилитель, огличающийся тем, что, с целью уменьщения массы и габаритов путем улучщения спектрального состава выходного напряжения инвертора, в .блок управления введен делитель частоты, суммирующий логический узел управления, Щ1фро-аналоговый преобразователь, магнитный мультивибратор, вспомогательные ключи, причем выходы задающего генератора соединены с синхронизирующим входом магнитного мальтивибратора и с входом делителя частоты, выход делителя частоты связан с входом суммирующего логического узла управления, один выход которого подключен к управляющему входу цифро-аналогового преобразователя, а другой - к управляющим входам ключей выходного инвертора, рабочие и управляющие обмотки указанного магнитного усилителя первым выводом соединены через вспомогательные ключи с первым выводом выходной обмотки магнитного мультивибратора, соединенной вторым выводом с общей шиной, к которой подключены вторые выводы i рабочих обмоток магнитного усилителя и первый выходной вывод цифро-аналогового преобразователя, к второму выходному выводу которого подключены вторые выводы управляющих обмоток магнитного усилителя, выходные обмотки которого подсоединены к входу суммирующего логического блока управления.