Способ преобразования постоянного напряжения в стабилизированное синусоидальное напряжение Советский патент 1984 года по МПК H02M7/48 G05F3/06 

I Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах электропитания. Известны способы преобразования постоянного напряжения в синусоидал ное стабилизированное путем преобра зования постоянного напряжения в переменное прямоугольной формы инве тором с последующим преобразованием прямоугольного напряжения в синусоидальное линейным и нелинейным реак торами феррорезонансного стабилизатора напряжения 1. Недостатком способа являются повышенные потери мощности при увеличении преобразуемого напряжения и уменьшении нагрузки. Наиболее близким к изобретению является способ преобразования постоянного напряжения в синусоидаль ное, реализованный в устройстве, в котором для уменьшения потерь используют широтно-импульсное регулирование прямоугольного напряжения на входе нелинейного реактора. Постоянное напряжение преобразуют в моделированное (регулируемое) по . длительности прямоугольное напряжение, а затем нелинейным преобразованием этого модулированного прямоугольного напряжения посредством феррорезонансного стабилитрона напряжения формируют синусоидальное стабилизированное напряжение. Регулирование по длительности прямоугол ного напряжения осуществляют в зави симости от изменения нагрузки и преобраз гемого напряжения по сигнал обратной связи напряжения замкнутой системой стабилизации напряжения. Известный способ преобразования напряжения позволяет уменьшить поте ри мощности и повысить точность ста билизации выходного напряжения 2 Однако применение двух систем ре гулирования напряжения - широтноимпульсного регулятора напряжения, при котором величина сигнала обратной связи меняется по линейному эйкону в зависимости от измерения входного напряжения, и нелинейной системы регулирования напряжения (феррорезонансного стабилизатора), обуславливает неустойчивую работу системы преобразования и стабилиза52ции напряжения при скачкообразном изменении входного напряжения или нагрузки. Недостаток объясняется тем, что нелинейный регулятор (феррорезонансный стабилизатор напряжения) выходит из рабочего режима в процессе регулирования напряжения широтнош 1пульсным модулятором при дости- . жении максимально допустимого (критического) угла регулирования напряжения -на входе феррорезонансного стабилизатора, а вступление стабилизатора в рабочий режим (пуск стабилизатора) и выход из рабочего режима сопровождаются скачкообразным изменением напряжения и токов его элементов . Физический смысл угла критического регулирования состоит в том, что при широтном регулировании напряжения на входе феррорезонансного стабилизатора наступает момент, когда в феррорезонснсном стабилизаторе не могут поддерживаться устойчивые периодически повторяющиеся разряды емкости нелинейного реактора. Критический угол регулирования . }jp определяется выражениями ,Э о ргагссоз Al (полученными решением методом медленно меняющихся амплитуд уравнения баланса напряжений нелинейной системы регулирования . WB Ji - I I. ,2 cJt- L l, A co5dsln(tui-V |-fcos3ci.sin3( |1 , (3) где W. j,5. и 2 - число витков, сечение сердечника и средняя длина магнитной линии дросселя нелинейного реактора; Б - мгновенные значения индукции дросселя нелинейного реактора; С - емкость конденсатора нелинейного реактора

oi V гг - коэффициенты, определяемые материалом сердечника;

0 н проводимости нелинейного реактора и нагрузки;

Ьд - индуктивность линейного реактора; и ,(ju и Ч - амплитудное значение,

частота и фаза прямоугольного напряжения на входе феррорезонансного регулятора;

d. - угол регулирования ши ротно-импульсного модулятора ; t - время.

Целью изобретения является повышение качества и надежности преобразо вания путем улучшения динамических характеристик устройств, реализуюЕцих способ.

Поставленная цель достигается тем, что при способе преобразования постоянного напряжения в стабилизированное синусоидальное путем преобразования постоянного напряжения в Смодулированное по длительности прямоугольное напряжение посредством инвертора и последующим нелинейным преобразованием посредством феррорезонансного стабилизатора модулированного прямоугольного напряжения в синусоидальное напряжение, сигналом обратной связи которого осуществляют модуляцию прямоугольного напряжения, сравнивают длительность модулированных импульсов прямоугольного напряжения с полуперкодом переменного выходного напряжения и при достижении критического угла широтного регулирования , определяемого приведенными выше соотношениями (1) и (2), полученными из решения уравнения баланса напряжений нелинейной системы регулирования, уменьшают величину сигнала обратной связи по выходному напряжению,

Предлагаемый способ преобразования постоянного напряжения исключает возможность увеличения угла регулирования до критического значения и, следовательно, возможность выхода из области рабочего режима нелинейной системы регулирования напряже НИЯ .

На фиг. 1 изображена схема устройства для осуществления способа (инвертор с синусоидальным выходным напряжением); на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие способ.

Инвертор (фиг. 1) содержит задающий генератор 1, широтно-импульсный модулятор 2, усилитель 3 мощности, линейный 4 и нелинейный 5 реакторы, образующие феррорезонансный стабилизатор 6 напряжения, датчик 7 тока, выходные выводы 8 подключения нагрузки, усилитель 9 сигнала обратной связи, двухвходовой компаратор 10 с первым входом 11, вторым входом 12 и выходом 13, выводы 14 подключения источника постоянного (преобразуемого) напряжения.

Выход задающего генератора 1 подключен к входу широтно-импульсного модулятора 2, выход которого соединен с базами транзисторов усилителя 3 мощности. Коллекторы транзисторов усилителя 3 моашости подключены к последовательно соединенным линейному 4 и нелинейному 5 реакторам :феррорезонансного стабилизатора 6. Выход феррорезонансного стабилизатора 6 через датчик 7 тока подключен к выходным выводам 8 подключения нагрузки и к входу усилителя 9 сигнала обратной связи. Выход усилителя 9 сигнала обратной связи подключен к управляющему входу модулятора 2. Компаратор 10 первым входом 11 подключен параллельно выходу модулятора 2, вторым входом 12 - к выходу датчика 7 тока, а выходом 13 - параллельно выходу усилителя 9 сигнат обратной связи и параллельно управляющему входу модулятора 2. Усилитель 3 мощности через средний отвод обмотки нелинейного реактора 5 подключен к вьшодам 14 источника питания. Задающий генератор 1, модулятор 2, компаратор 10 и усилитель 9 сигнала обратной связи по цепям питания подключены также к выводам 14 (не показано).

Схемы усилителя 3 мощности, широтно-импудьсного модулятора 2, задающего генератора 1 и усилителя 9 сигнала обратной связи общеизвестны

Датчик 7 тока может быть выполнен, например, в виде токоизмерительного резистора, параллельно которому подключен согласующий трансформатор

В качестве двухвходового компаратора 10 может быть использована, например, микросхема типа 521СА1,

На фиг. 2 изображены: и - выходное напряжение генератора 1; 1/2 напряжение на выходе модулятора 2 U4 напряжение на линейном реакторе А; Ug - напряжение на выходных вводах 8; ii-j - напряжение на датчике 7 тока;и и ( напряжение на вхо дах 11 и 12 компаратора 10; сопротивление выхода 13 компаратора 10; 2ot- угол широтного регулирования напряжения на входе стабилизатора 6; 2оСцр- критический угол регулирования; U и 0 - амплитудные значения напряжения на входах 11 и 12 ксмпаратора; Т/2 - полупериод переменного выходного напряжения.

В зависимости от величины напряжения источника преобразуемого напряжения, полученного к выводам 1, и нагрузки на выходных выводах 8 модулятор 2 ширины импульсов осуществляет формирование паузы 2ot в прямоугольном переменном напряжении на входе усилителя 3 (фиг.2, U2). Широтная модуляция напряжения генератора 1 - увеличение угла регулирования i- осуществляется в зависимости от величины сигнала обратно связи усилителя 9.

Модулированное ступенчато-прямоугольное напряжение поступает на феррорезонансный стабилизатор 6, который преобразует его в стабилизированное напряжение синусоидальной формы (фиг. 2,Ug). При этом амплитуда ступенчато-прямоугольного напряжения на входе стабилизатора 6 изменяется по линейному закону пропорционально изменению входного напряжения, а длительность ступеньки (угол регулирования 2ci ) определяется величиной сигнала обратной свяаи усилителя 9. Поэтому линейный реактор 4 феррорезонансного стабилизатора 6 работает в облегченном режиме, так как на его входе напряжение модулятором 2 стабилизируется по действующему значению. Основное назначение стабилизатора 6 - фильтрация высших гармоник (формирование синусоидального выходного напряжения на нелинейном реакторе 5). При угле регулирования d. меньше критического, выходной ток имеет синусоидальную форму, при этом амплитудное

значение напряжения U на входе 11 компаратора больше, чем амплитудное значение напряжения на входе 12, поэтому выходное сопротивление компаратора 10 имеет максимальную величину ( R-f3 ftvoKC ® влияет на величину сигнала обратной связи усилителя 9 (фиг. 2а).

Ограничение угла регулирования осществляют при скачкообразном увеличении входного напряжения при сборе нагрузки, когда усилитель обратной связи стремится увеличить угол регулирования, и длительность паузы модулирующего напряжения по отношению к длительности полупериода частоты преобразования достигает критической величины.

При достижении критического угла регулирования о цп , который согласно приведенным соотношениям увеличивается при увеличении входного напряжения и нагрузки, выходное напряжение (его среднее значение) остается практически неизменным, однако его форма Искажается. Соответственно искажается и форма выходного тока, а на вход 12 компаратора 10 с датчика 7 тока поступает сигнал Ц (фиг. 2б) с амплитудным значением, превьшающим напряжение на входе 11 компаратора 10 (момент времени Т на фиг. 26). В этом случае выходное сопротивление компаратора (на выходе 13) уменьшается до , шунтируя (закорачивая) тем самым выход усилителя 9. В результате сигнал обратной связи на входе модулятора 2 уменьшается, прекращается увеличение угла регулирования, угол регулировки становится меньше критического, а выходное напряжение - синусоидальным. Таким образом, на заданном уровне прекращается уменьшение действующего значения напряжения на входе феррорезонансного стабилизатора 6, и в этом случае стабилизатор 6 выполняет функции стабилизатора выходного напряжения на время переходного процесса замкнутой системы регулирования выходного напряжения.

Следовательно, введение операции автоматического ограничения угла регулирования напряжения на выходе усилителя мощности исключает возможность работы феррорезонансного стабилизатора за областью критического

(нерабочего) режима и неустойчивость работы устройств, реализующих способ, что улучшает их динамические характеристики,т.е. повьшает качество и надежность преобразования постоянного напряжения в стабилизированное синусоидальное напряжение.

Введение в состав инвертора предлагаемых элементов позволяет улучшить его динамические характеристики: уменьшить длительность переходного процесса с 90 до 30 мс (при частоте преобразования 50 Гц) и исключить неустойчивую работу - возможность срыва преобразования напряжения.

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В СТАБИЛИЗИРОВАННОЕ СИНУСОИДАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ путем преобразования постоянного напряжения в модулированное по длительности прямоугольное напряжение посредством инвертора с последующим нелинейным преобразованием посредством феррорезонансного стабилизатора модулированного прямоугольного напряжения в синусоидальное напряжение, в зависимости от величины сигнала обратной связи которого осуществляют широтную модуляцию прямоугольного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения качества и надежности преобразования путем улучшения динамических характеристик устройств, реализующих способ, сравнивают длительность модулированных импульсов прямоугольного напряжения с полупериодом выходного переменного напряжения и при достижении критического угла широтного регулирования определяемого выражением уменьшают величину сигнала обратной связи по выходному напряжению, где |цГ bli. -1 .М-г() :M-C i L - число витков, сечение сердеч- ® S, , ника и средняя длина магнитной /Я линии дросселя нелинейного реактора;Сш С - емкость конденсатора нелинейного peaKtopa;5 коэффициент, определяемый материалом сердечника; проводимости нелинейного реактора и нагрузки; Цд- индуктивность линейного реактора;Pf j ,uj- амплитудное значение и часто- ff Ц та напряжения на входе ферро- (1 резонансного регулятора.