Преобразователь постоянного напряжения в квазисинусоидальное переменное Советский патент 1988 года по МПК H02M7/48 

V 4 гЧ f 4

г/ «4 гг/ Ц

- If1 у

- .-h---t « / « f A v

uflR uffl 4

3

Изобретение относится к преобразовательной технике, и может быть использовано при создании усилителей гармонических колебаний, электроприводов переменного тока, источников питания при сохранении высоких энергетических показателей, в тех случаях, когда требуется высокое быстродействие регули11ования и минимальные масса и габариты преобразователя.

Цель изобретения - снижение массы и габаритов преобразователя.

На фиг. 1 представлена функциональная схема силовой цепи предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - блок-схема цепи управления преобразователя j на фиг. 3 и 4 - варианты подключения к демодулятору выходного фильтра; на фиг. 5-7 - временные диаграммы, поясняющие работу преобрар зователя. .

Преобразователь напряжения (фиг. 1) содержит 2п (на примере п , 3) инверторных ячеек на полностью управляемых ключах 1.1-6.4, одни диагонали которых соединены с выводами 7 и 8 источника постоянного напряжения, а вторые - с перви 1ными обмотками 2п высокочастотных трансформаторов 9-14, вторичные обмотки которых соединены последовательно. Демодулятор 15 вьтолнен в виде двух диодных выпрямителей, входы которых подключены к вторичным обмоткам трансформаторов 9-11 и 12-14 соответствующих инверторных ячеек, причем выходы выпрямителей соединены между собой встречно-последовательно, общая точка которых вместе с другими (однополярными) выводами выпрямителей и подключена к входу Т-образного фильтра 16, соединенного с нагрузкой 17.

Схема управления преобразователя (фиг. 2) содержит последовательно включенные задающий генератор 18 и генераторы 19 и 20 встречно-изменяю- щихся развертьшающих напряжений.

нал которых содержит два модулятора 29 и 30 ширины импульсов, одни входы которых объединены и подключены к пороговым элементам 31-33 с последо- вательно нарастающими уровнями, а другие - к выходам суммирующих элементов 21-24, причем выходы модуляторов 29 и 30 ширины импульсов через

10 узлы- 34 развязки и усиления соединены с управляющими цепями ключей 1.1- 6.4 инверторных ячеек.

При выполнении фильтра 16 (фиг.З) по Т-образной C-L-C схеме общая точ15 ка выпрямителей подключена к выводу дросселя 35 фильтра, а выводы конденсаторов 36 и 37 соединены с одно- полярными выводами выпрямителей и абразуют выходные выводы преобразова20 теля.

При выполнении фильтра 16 (фиг.4) по Т-образной L-C-L схеме выводы дросселей 38 и 39 соединены с одно- полярными выводами выпрямителей, вы25 вод конденсатора 40 подключен к общей точке выпрямителей, образующей вместе с общей точкой дросселей 38 и 39 выходные выводы преобразователя. При подключении нагрузки 17 со

30 (Средней точкой (фиг. 1) ее крайние вьгооды соединены с однополярными выводами выпрямителей, а средняя точка - с общей точкой конденсаторов фильтра или общей точкой выпрямителей (если фильтр отсутствует).

На фиг. 5-7 обозначены напряжения: 41 - задающего генератора 18, 42 и 43 - генераторов 19 и 20 встречно- изменяющихся развертывающих (пилооб

40 разных) напряжений, 44 - управляющее синусоидальное напряжение, 45 и 46 - умножителя 26 и фазосдвигающего узла 25 соответственно, 46 и 47 - суммирующих элементов 21 и 22, 49-52 - по45 роговых элементов 31-33, 53 и 54 - суммирующих элементов 23 и 24, 55- 62 - модуляторов 29 и 30 ширины импульсов соответствующих каналов фор мирователей управляющих импульсов.

35

соединенных с одними из входов сумми- 50 63 и 64 - узлов 34 развязки и усиленал которых содержит два модулятора 29 и 30 ширины импульсов, одни входы которых объединены и подключены к пороговым элементам 31-33 с последо- вательно нарастающими уровнями, а другие - к выходам суммирующих элементов 21-24, причем выходы модуляторов 29 и 30 ширины импульсов через

0 узлы- 34 развязки и усиления соединены с управляющими цепями ключей 1.1- 6.4 инверторных ячеек.

При выполнении фильтра 16 (фиг.З) по Т-образной C-L-C схеме общая точ5 ка выпрямителей подключена к выводу дросселя 35 фильтра, а выводы конденсаторов 36 и 37 соединены с одно- полярными выводами выпрямителей и абразуют выходные выводы преобразова0 теля.

При выполнении фильтра 16 (фиг.4) по Т-образной L-C-L схеме выводы дросселей 38 и 39 соединены с одно- полярными выводами выпрямителей, вы5 вод конденсатора 40 подключен к общей точке выпрямителей, образующей вместе с общей точкой дросселей 38 и 39 выходные выводы преобразователя. При подключении нагрузки 17 со

0 (Средней точкой (фиг. 1) ее крайние вьгооды соединены с однополярными выводами выпрямителей, а средняя точка - с общей точкой конденсаторов фильтра или общей точкой выпрямителей (если фильтр отсутствует).

На фиг. 5-7 обозначены напряжения: 41 - задающего генератора 18, 42 и 43 - генераторов 19 и 20 встречно- изменяющихся развертывающих (пилооб

0 разных) напряжений, 44 - управляющее синусоидальное напряжение, 45 и 46 - умножителя 26 и фазосдвигающего узла 25 соответственно, 46 и 47 - суммирующих элементов 21 и 22, 49-52 - по5 роговых элементов 31-33, 53 и 54 - суммирующих элементов 23 и 24, 55- 62 - модуляторов 29 и 30 ширины импульсов соответствующих каналов фор мирователей управляющих импульсов.

5

Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б. использовано при создании быстродействующих регуляторов и стабилизаторов переменного напряжения, усилителей гармонических сигналов, преобразователей частоты. Целью является снижение массы и габаритов. Преобразователь содержит 2п инверторных ячеек на пол ностью управляемых ключах 1.1-6.4, соединенных с первичными обмотками высокочастотных тр-ров 9-14. Демоду- лятор 15 выполнен в виде двух диодных выпрямителей, соединенных с Т-образным фильтром 16. Блок управления параллельно работающих инверторных ячеек осуществляет алгоритм управления, позволяющий реализовать многозонную импульсную модуляцию напряжения источника питания. 7 йл. с S (Л

рующих элементов 21-24, другие входы пар 21 и 22 и 23 и 24 которых объединены и подключены к выходам фазосдвигающего узла 25 и аналогово- го умножителя 26 напряжения, входы которого объединены и образуют управляющий вход преобразователя (Uy), два п-канальных формирователя 27 и 28 управляющих импульсов, каждый кания первого канала формирователя, .65-68 - на обмотках трансформаторов

9-11

соответственно, 69 - суммарное

напряжение вторичных обмоток транс- форматоров 9-11, 70 - трансформаторов 12-14, 71 - на выходе одного из неуправляемых выпрямителей демодулятора 15, 72 - на выходе второго неуправляемого выпрямителя, 73 - на

входе фильтра 16 74 - на выходе одного плеча фильтра (среднее значение напряжения на выходе одного выпрямителя) , 75 - на выходе второго плеча фильтра , 76 - на выходе преобразователя.

Преобразователь работает следующим образом.

Задающий генератор 18 формирует высокочастотные импульсы 41, которые синхронизируют работу генераторов 19 и 20 развертьшающих напряжений (генератор 20 встречно-изменяющйхся напряжений может быть вьтолнен на сено- 15 развязки и усиления (фиг. 6) не пове повторителя напряжения, на основе операционного усилителя), на выходах которых действуют напряжения 42 и 43. На управляющий вход преобразователя поступает управляющее синусоидальное напряжение 44, частота которого выбирается вдвое ниже требуемой выходной частоты. На выходе аналогового умножителя 26 напряжения с объединенными входами действует напряжение 45, мгновенное значение котоказаны. В соответствии с фазами напряжений 63 и 64 алгоритм переключения ключей 1 инвертора изменяется от полупериода к полупериоду высокой

20 частоты: 1.4, 1.2 г 1.2, 1.3-1.3,1 - t,;. 1.3, 1.1 - 1.1 - 1.4 - 1.4, 1.2 - tgi 1.2, 1,4 - 1,4/1.1 - t 1.2, 1.3 и т.д. - t до момента времени tg, с которого сноба н ачинается

25 в этом канале изменение синхронного

рого изменяется по квадратичному закону sinu3t. Это напряжение сдвигается на 90 фазосдвигающим узлом

алгоритма.

Напряжение на обмотках трансформатора 9 представлено в таком режиме эпюрой 65, для других, последователь25, на выходе которого действует нап- ЗО но с ним соединенных по вторичной

ряжение 46, изменяющееся по квадра- цепи трансформаторов - эпюрами 66тичному закону . Суммирующие

элементы 21-24, которые также могут

быть выполнены на основе операцион68, а суммарное высокочастотное нап-. ряжение, действующее на входе первого выпрямителя, - эпюрой 69, огибающей которого изменяется в соответствии с напряжением 45. Аналогично, вторая группа инверторных ячеек на кhючax 4-6 формирует сдвинутое на 90° в соответствии с напряжением 46 40 напряжение 70 действующее на входе второго выпрямителя демодулятора 15. На выходах выпрямителей действует выпрямленное напряжение 71 и 72.Поскольку выпрямители включены встречно,на входеных усилителей, осуществляют сложение напряжений 45 и 46 с развертьшающими (42 и 43. На фиг. 5 (для упрощения) выходные н:апряжения 47 и 48 и 53 и 54 элементов 21 и 22 и 23 и 24 совмещены попарно. Каждое из этих напряжений поступает на одни из входов модуляторов 29 и 30 ширины импульсов, на других входах которых действуют напряжения 49-52 с последовательно

нарастающими уровнями (на фиг. 5 для .фгтьтра действует разность напряжеопределенности задано четыре уровня, что соответствует числу Каналов п 4). Модуляторы 29 и 30 ширины импулЬсов могут быть выполнены в виде последовательно соединенных компараторов и логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, синхронизированного импульсами задающего генератора 18 через триггер. На выходе элементов

сравнения (компараторов) модуляторов gg Если нагрузка имеет среднюю точку.

ширины импульсов действует напряжение 55-62f перепады которого формируются в моменты равенства напряжений 47 или 48 с соответствующими

что имеет место в электромагнитных системах, трансформаторных, вибрационных, двигательных, акустических индукционного нагрева и так далее,

уровнями 49-52, а на выходе узлов развязки и усиления действуют напряжения 63 и 64, которые определяют алгоритм работы ключей инверторных ячеек.

Пусть положительные полуволны напряжения 63 соответствуют замкнутому состоянию ключа 1.1, а отрицательные - ключа 1.2. Аналогично, положительные полуволны напряжения 64 соответствуют замкнутому состоянию- ключа 1.4, а отрицательные - 1.3. Напряжения на выходах других узлов

казаны. В соответствии с фазами напряжений 63 и 64 алгоритм переключения ключей 1 инвертора изменяется от полупериода к полупериоду высокой

частоты: 1.4, 1.2 г 1.2, 1.3-1.3,1 - t,;. 1.3, 1.1 - 1.1 - 1.4 - 1.4, 1.2 - tgi 1.2, 1,4 - 1,4/1.1 - t 1.2, 1.3 и т.д. - t до момента времени tg, с которого сноба н ачинается

в этом канале изменение синхронного

68, а суммарное высокочастотное нап-. ряжение, действующее на входе первого выпрямителя, - эпюрой 69, огибаюей которого изменяется в соответствии с напряжением 45. Аналогично, вторая группа инверторных ячеек на кhючax 4-6 формирует сдвинутое на 90° в соответствии с напряжением 46 напряжение 70 действующее на входе второго выпрямителя демодулятора 15. На выходах выпрямителей действует выпрямленное напряжение 71 и 72.Поскольку выпрямители включены встречно,на входеНИИ 71 и 72, представленная эпюрой 73, огибающая которой изменяется по синусоидальному закону с удвоенной частотой по отношению к управляющему напряжению Uo.

Эпюрами 74-76 представлены напряжения на выходе фильтра каждого моста и на нагрузке соответственно.

что имеет место в электромагнитных системах, трансформаторных, вибрационных, двигательных, акустических, индукционного нагрева и так далее,

то выходной фильтр можно исключить, что позволяет дополнительно повысить коэффициент полезного действия. Демодулятор также может быть выполнен по схеме со средней точкой. Выполнение демодулятора на основе двух встречно-последовательно включенных выпрямителях позволяет практически исключить нерегулируемые паузы в вьпсодном напряжении, исключить защитные цепи, схему управления ключами демодулятора и повысить КПД и надежность преобразователя на этой основе. Для реализации такого демодулятора на входе одного из выпрямителей необходимо сформировать высокочастотное напряжение огибающая которого изменяется по закону , на входе другого - по закону . Их разность при-этом изменяется по синусоидальному закону, так как

cos cot - cosZwt. Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в, квазисинусоидальное переменное, содержагДий п инверторных ячеек на полностью управляемых ключах, две группы из п высокочастотных транс-, форматоров, вторичные обмотки каждой группы которых объединены в общем контуре и подключены к входам своих выпрямителей, выходные выводы которых через выходной фильтр связаны с выходом устройства, а первичные обмотки одной группы высокочастотных трансформаторов соединены с выходами п инверторных ячеек, входы которых подключены к шинам питания, и схему управления, включающую задающий генератор, генераторы встречно-изменяю0

5

0

щихся развертывающих напряжении, соединенные с одним из входов суммирующих элементов, п-канальный формирователь управляющих импульсов, каждый канал которого содержит два модулятора ширины импульсов, одни входы которых объединены и подключены к пороговым элементам с последовательно нарастающими уровнями, а другие - к выходам указанных суммирующих элементов, причем выходы модуляторов ширины импульсов соединены с управ- ляющими цепями ключей инверторных ячеек, отличающийся тем, что, с целью снижения массы и габаритов, в преобразователь дополнительно введены п-канальный формирователь управляющих импульсов, п инверторных ячеек, выходы которых соединены с первичными обмотками другой группы высокочастотных трансформаторов, два суммирующих элемента, аналоговьй умножитель напряжения и 5 фазосдвигающий узел, вход которого подключен к выходу аналогового умножителя, причем входы последнего образуют управляющий вход преобразователя, а выход фазосдвигающего узла подсоединен к одним из входов дополнительных суммирующих элементов, другие входы которых соединены с генераторами встречно-изменяющихся развертывающих напряжений, их выходы соединены с одним из входов введенного формирователя управляющих импульсов, другие входы которого связаны с соответствующими пороговыми элементами, выходы соединены с управляющими цепями ключей введенных инверторных ячеек, а выходы выпрямителей соединены между собой встречно-последовательно.

0

5

0

S1 5.2 5.Г 4.Г 4.Z Т Фиг. 2

Фиг.З

L J.- - .-J

. фигЛ

1

л nr

Ч-ГЬГ

-TsT

jinf

.,П-Г П nr

60 Гssl

П nr II LFL

F-IT

I Ji. L L I I i

i...nj п,.,ги.

1SL

гп

in П

lEL

u и ri.

-ТВ апл-гър ал

иП-П-Ги -Л-Ги О-Ри

А, УЛ ,fX

ЧУ