Преобразователь постоянного напряжения в переменное @ -ступенчатой формы Советский патент 1984 года по МПК H02M7/48 

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при построении полупроводниковых преобразователей электрической энергии с высоким качеством выходного напряжения.

Известны преобразователи постоянного напряжения в переменное, в которых для формирования П -ступенчатого напряжения требуется несколько источников постоянного напряжения с различными значениями выходного напряжения lj .

Однако наличие большого числа таких источников усложняет схему пре образовательной установки, снижает ее надежность и экономическую эффективность. Кроме того, необходимо принимать дополнительные меры для равномерной выработки ресурса каждого источника. В случае необходимости гальванической развязки и согласования входных и выходных параметров требуется установка силового трансформатора, работающего на основной (выходной) частоте, что ухудшает массогабаритные характеристики преобразователя.

Известны также преобразователи, соцержару е инвертор, выходом подключенный к первичной обмотке трансформатора, и выходной коммутатор на управляемых ключах переменного тока, связывающий вторичную секционированную обмотку трансформатора с приемниками электрической энергии ..

Недостатком указанных преобразователей является то, что структуры их выходных цепей имеют ограниченные возможности по формированию близкого к синусоидальному напряжения. Улучшение качества выходного напряжения за счет увеличения числа секций вторичной обмотки и числа ключей комму татора не всегда оправдано из-за ухудшения технико-экономических показателей преобразователя.

Наиболее близким к изобретению является преобразователь постоянного яапряжения в переменное п -ступенчатой формы, содержащий инвертор с трансформатором, у которого вторичная обмотка трансформатора выполнена четьфехсекционной, а выходной коммутатор содержит десять управляемых ключей переменного тока, в также блок управления, состоящий из задатчика частоты, счетчика импуль25092

сов и дешифратора. Такой преобразователь способен сформировать выходное напряжение с коэффициентом гармоник порядка 10% 31 .

5 Однако дальнейшее улучшение формы кривой выходной напряжения преобразователя требует либо применения фильтров, что связано с ухудшением КПД и динамических, характеристик,

10 либо увеличения числа управляемых ключей переменного тока, что приводит к снижению надежности преобразователя и коэффициента использования управляемых ключей по току.

15 Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения путем уменьшения его коэффициента гармоник.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе постоянно0 го напряжения в перемнное л -ступенчатой формы, содержащем инвертор, выходом подключенный к первичной обмотке трансформаторного узла, включающего в себя один основной магнито5 провод с размещенными на нем последовательно связанными между собой секциями вторичной обмотки, причем каждая из точек соединения секций и концы вторичной обмотки подключены

,. к выходным выводам преобразователя через управляемые ключи переменного тока, а блок управления в виде последовательно соединенных задатчика частоты, счетчикаимпульсов и дешифратора, трансформаторный узел снабжен вспомогательными магнитопроводами, причем на каждом из магнитопроводов размещены дополнительная обмотк.а и часть витков каждой секции вторичной обмотки, параллельно введенной дополнительной обмотке основного магнитопровода включены дополнительно введенные цепочки, состоящие каждая из двух последовательно соединенных управляемых ключей переменного тока, количество указанных цепочек равно числу вспомогательных магнитопроводов, причем параллельно одному из ключей каждой цепочки включена указан ная дополнительная обмотка соответствующего вспомогательного магнитопррвода, где п - число ступеней напряжения на четверти периода.

При И 7 преобразователь содер5 жит один вспомогательный магнитопровод, число секций вторичной обмотки равно трем, при этом соотношение вит ков между частями соответствующих

31

секций, размер;енных соответственно на основном и вспомогательном магни топроводах, равно

4,9:k :2,1:7k :7,4:1,2k ,

где k - отношение числа витков дополнительной обмотки вспомогательного магнитопровода к числу витков дополнительной обмотки основного магнитопровода .

Кроме того, при п 10 соотношение витков между частями секций вторичной обмотки равно

6:2 k -.3:2 k :1: k .

На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов схемы преобразователя с трансформаторным узлом, составленным из двух отдельных (основного и вспомогательного) магнитопроводов} на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Предлагаемый преобразователь (фиг. 1) содержит источник 1 постоянного напряжения, управляемые ключи 2 и 3 постоянного тока, основной 4 и вспомогательный 5 магнитопроводы трансформаторного узла, первичную обмотку 6, размещенную на основном магнитопроводе и подключенную к выходу промежуточного высокочастотного инвертора, дополнительную обмотку

7основного и дополнительную обмотку

8вспомогательного магнитопроводов, вторичную секционированную обмотку, состоящую из последовательно включенных обмоток 9-14, управляемые ключи 15-24 переменного тока. Параллельно дополнительной обмотке 7 основного магнитопровода 4 включена цепочка из последовательно соединенных ключей

15 и 16, причем параллельно ключу 16 подключена дополнительная обмотка 8 вспомогательного магнитопровода 5. Вторичная обмотка имеет три секции: первую (обмотки 9 и 10), втору (обмотки 11 и 12) и третью (обмотки 13 и 14). Обмотки 9, 11 и 13 размещены на основном магнитпроводе 4, а обмотки 10, 12 и 14 - на вспомогательном магнитопроводе 5. Выводы секций вторичной обмотки через соответствующие ключи-17-24 соединены с каждым из выходных выводов преобразователя. К выходным выводам преобразователя подключены приемники 25 электрической энергии.

25094

На диаграммах напряжений (фиг. 2) применяются следующие обозначения: напряжение на первичной обмотке 6 (1-30 - полупериоды промежуточной частоты), Ug - напряжение на дополнительной обмотке 8 вспомогательного магнитопровода 5, ступенчатоое напряжение на приемниках 25 электрической энергии (выходное нап0 ряжение преобразователя) i U А - 17 напряжения соответственно 1-7-й ступеней выходного напряжения,- U 94 напряжения управления (управляющие импульсы), поступающие на полностью

5 управляемые ключи 15-24 переменного тока (положительный уровень напряжений управления соответствует открытому состоянию ключей).

Устройство работает следующим об0 разом.

Одна часть ступеней в выходном напряжении преобразователя формируется из напряжений (или комбинаций напряжений) Uj, , l и и, обмоток 9, 11

5 и 13. При этом ключ 15 разомкнут (закрыт) , дополнительная обмотка 9 вспомогательного магнитопровода 5 зашунтирована замкнутым (открытым) ключом 16, ЭДС и,р , 11;,2 и 1)4 во вторичQ ных обмотках 10, 1 . и 7.4 равны нулю, а формообразование ступеней осуществялется соответствующей коммутацией ключей 17-24. Вторая часть ступеней формируется при подключении дополнительной обмотки 8 вспомогательного магнитопровода 5 к дополнительной обмотке 7 основного магнитопровода 4, когда ключ 15 замкнут, а ключ 16 разамкнут.В этом случае ЭДС наводится во всех обмотках 9-14, и, следовательно, каждая секция вторичной обмотки, полностью участвует в формировании выходного напряжения.

5 Таким образом, введение трансформаторной связи между магнитопроводами 4 и 5 позволяет увеличить число ;ступеней в выходном напряжении и тем самым расширить функциональные воз0 можности преобразователя.

Соотношения между напряжениями (числами витков) обмоток 9-14, а также порядок соединения обмоток в сек« . --

циях (согласное или встречное) опре5 деляются на этапе проектирования

преобразователя и зависят от выбранного закона формирования выходного напряжения. Формирование положительной -полуволны выходного напряжения (Jgj состоящего из семи ступеней, поясняю диаграммы на фиг. 2. - Напряжение первой ступени 1/ (фиг. формируется путем подключения приемников 25 электрической энергии к последовательно включенным обмоткам 11 и 12 через открытые ключи 20 и 21 переменного тока либо 19 и 22 (2--Л и 3-й полупериоды промежуточной частоты). Поскольку в течение указан ных полупериодов промежуточной частоты дополнительная обмотка 8 вспомо гательного магнитрпровода 5 отключена от дополнительной обмотки 7 основ ного магнитопровода 4 закрытым ключом 15 (диаграмма ) и зашунтиров на открытым ключом 16 (диаграмма 1{ то ЭДС в обмотке 12 равна нулю, а напряжение первой ступеньки U, рав но напряжению И, обмотки 11, Напряжение второй ступеньки 2 (фиг. 2) формируется в течение 4-го и 5-го полупериодов промежуточной частоты, когда ключ 15 открыт а ключ 16 закрыт (диаграммы и U ( При этом обмотка 8 подключается к обмотке 7, магнитопровод 5 вступает в работу (диаграмма Ug ), в его вто ричных обмотках 10, 12 и 14 индукти руются соответствующие ЭДС, а напря жение второй ступеньки U2 формируется путем подключения приемников 25 электрической энергии к последов тельно включенным обмоткам 11 и 12 через открытые ключи 20 и 21, либо и н ч- и 19 и 22, т.е. где и (2 5 0. Напряжение третьей ступеньки U формируется путем подключения приемников 25 электрической энергии к обмоткам 9 и 10 через открытие ключи 18 и 19 либо 17 и 20 (6-й и 7-й полупериоды промежуточной частоты), при этом обмотка 8 по-прежнему остается подключенной к обмотке 7 (диаграммы U ,5 Ь и (Jg ), т.е. (J т и„ + и 10 Напряжение четвертой ступеньки формируется соответствующей коммутацией ключей 21-24 (фиг. 2). В этом случае (8-й и 9-й лолупериоды) ключ 15 закрыт, ключ 16 открыт, ЭДС в обмотке 14 равна нулю и, следовательно, и4 (фиг. 1). Напряжение пятой ступеньки U g формируется аналогично коммутацией ключей 21-24 (полупериоды 10-й и 11-й), НО при этом магнитопровод 5 снова вступает в работу путем подключения,, обмотки 8 к обмотке 7 (диаг), поэтому U,,-«- 0,4 П 14 -Н - I Напряжение щестой ступеньки и формируется подключением к выходным выводам преобразователя посредством ключей 20 и 23 либо 19 и 24 последовательно соединенных обмоток 11-14 (12-й и 13-й полупериоды) .. Поскольку на интервале шестой ступеньки магнитопровод 5 размагничивается обмоткой 8, замкнутой накоротко открытым ключом 16, и ЭДС в обмотках 10, 12 и 15 равны нулю, то напряжение Ll/ состоит из суммы напряжений моток 11 и 13. Седьмая ступенька в выходном напряжении и25 формируется при включении в работу вспомогательного магнитопровода 5 путем коммутации ключей Uj uq 21 и 22, причем и,, +U 1/2 (фиг. 1 и фиг. 2). Дальнейшее формообразование выходного напряжения происходит аналогично. Формирование нулевой паузы между полупериодами выходного напряжения осуществляется шунтированием выходных выводов преобразователя, например, ключами 17 и 18. Предлагаемая сХема преобразователя с приведенным на фиг. 2 законом управления ключами переменного тока позволяет получить распределение высоты ступеней по синусоидальному закону, основанному на принципе равенства напряжения ступени и среднего напряжения соответствующего участка синусоиды, аппроксимирующей кривую выходного напряжения. Соотношение между напряжениями на вторичных обмотках 9-14 при этом равно и, и„ : Uu :Uu 13 5,9:2,1:2,0:7,4:1,2. При И 7 число витков между частями секций равно W,,: W, V,, : Wi2. ,v,3 4,9:k :2,1:2k :1,2k , где k - отношение числа витков дополнительной обмотки 8 вспомогательного магнитопровода к числу витков дополнительной обмотки 7 основного магнитопровода. 7I Испытания макетного образца преобразователя с указанным распределением высоты ступеней (выходная мощность 300 Вт, частота выходного напряжения 50 Гц) показали, что коэффициент гармоник в его выходном напряжении составляет h 6%, причем обмотку 10 из схемы можноисключить В частном случае, предлагаемая схема (фиг. 1) при другом законе управления ключами переменного тока и при соотношении между напряжениями и,,: U,,:U,,:ll,j:U,,:U,, 6:2:3:2:1:1 позволяет получить десятиступенчатут форму выходного напряжения с равномерным распределением высоты ступеней (1:2:3:4:5...10). Соотношение витков между частями секций вторичной обмотки при этом выбирается сле дующим . 6:2k :3:2k : 1 :1 . Кроме того, предлагаемый преобразователь позволяет получить шестиступенчатую форму выходного напряжения ( П 6) с любым соотношением амплитуд ступенек, что также превыша ет возможности известного устройства при равном количестве силовых ключей в предлагаемой и известной cxejiax. 98 Функциональные возможности предлагаемого преобразователя значительно повьппаются при увеличении числа вспомогательных магнитопроводов в трансформатором узле. Так, например, добавление в схему на фиг. 1 второго вспомогательного магнитопровода и соответственно цепочки из двух дополнительных ключей переменного тока позволяет увеличить число ступенек с независимыми одна от другой амплитудами до И 9. В схему известного устройства, обеспечиваняцую такую же форму кривой выходного напряжения, потребуется введение десяти дополнительных ключей переменного тока (при девяти секциях во вторичной обмотке), что резко снижает надежность известного преобразователя и, кроме того, ухудшает его массогабаритные показатели. Блок управления предлагаемого преобразователя выполняется в виде последовательно соединенных задающего генератора, двоичного шестизарядного счетчика с коэффициентом пересчета N 62 и дешифратора. Выходы дешифратора через усилители-формирователи связаны с управляющими входами ключей преобразователя. Структура дешифратора синтезируется на основе алгоритмов на фиг. 2.

15 5

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ П-СТУПЕНЧАТОЙ ЛОРМЫ, содержащий инвертор, выходом подключенный к первичной обмотке трансформаторного узла, включающего в себя один основной магнитопровод с размещенными на нем последовательно связанными между собой секциями вторичной обмотки, причем каждая из точек соединения секций и концы вторичной обмотки подключены к выходным выводам преобразователя через управляемые ключи переменного тока, а также блок управления в виде последовательно соединенных задатчика частоты, счетчика импульсов и дешифратора, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения путем уменьшения его коэффициента гармоник, трансформаторный узел снабжен вспомогательными магнитопроводами, причем на каждом из магнитопроводов размещены дополнительная обмотка и часть витков каждой секции вторичной обмотки, параллельно введенной дополнительной обмотке основного магнитопровода включены дополнительно введенные цепочки, состоящие каждая из двух последовательно соединенных управляекых ключей переменного тока, количество указанных цепочек равно числу вспомогательных магнитопроводов, причем параллельно одному из ключей каждой цепочки включена указанная дополнительная обмотка соответствующего вспомогательного магнитопровода, где П - число ступеней напряжения на четверти периода. 9 2.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что при П 7 он содержит один вспомогательный магнитопровод, число секций вторичной обмотки равно трем, при этом соотношение витков между частями соответствующих секций, размещенных соответственно на основном и вспомогательном магнитопроводах, равно N3 4,9:k :2,1:2k :7,4:1,2k, :л где k - отношение числа витков дополнительной обмотки вспомогательного магнитопровода к числу витков дополнительной обмотки основного магнито провода. 3.Преобразователь по п. 2, о т личающийся тем, что при И 10 соотношение витков между частями секций вторичной обмотки равно 6:2k :3:2k :1: k .

/

Фi/г.f