Способ преобразования переменного напряжения в постоянное Советский патент 1988 года по МПК H02M7/12 

It

00

сд ю

о с

ll Ui ipeTenHO сч шк-цтгя к Г1.ч(ктр(-- тохнико, в час-тиогщ к С пск облм пре ofipa.TOFiainm переменнщ-о иап)-)яжеиия в постоянное и к преобразователям переменного напряжения н постоянное, осуществляющим такие способы, и може найти применение при получении постоянного напряжения ич переменного напряжения сети и его регулировании в широких пределах, а также ;цтя компенсации реактивно мощности, когда требуется получить малые массы и габариты преобразователя, синусоидальный ток, потребляемый из cetи переменного напряжения при одновременном регулировании реактивной мощности практически от индуктивного характера до емкостного.

Цель изобретения - улучшение формы потребляемого из сети тока.

На фиг.1 представлены диаграьшы, поясняющие формирование выходного высококачественного напряжения с оги- бающей, равной произведению sinwt sin(wt+g ), где (м частота сети; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие формирование потребляемого из сети тока сдвинутого на угол if относительно . входного напряжения; на фиг.З - схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг.4 - один из вариантов выполнения блока последовательно нарастающих уровней;- на фиг.З - диаграммы,- поясняющие работу блока последовательно нарастающих уровней; на фиг.6 - пример вы- по;п)еиия фазосдвиг ающего блока; на фиг. 7 - време)ные диаграммы, поясняющие работу фазосдвигаюшего блока.

Временные диаграммы, поясняющие данный спо.соб, приведены на фиг.1, где обозначены: 1 переменное напряжение сети; 2 высокочастотное напряжение с огибающей сети; 3 управляющий или (модулирующий) синусоидальный сигнал, сдвинутый относительно напряжения сети на угол С/ (в сторону оставания); А управляющий (модулирующий) выпрямленньп сигнал с таким же фазовым сдвигом if ; 5 поле разверток, обеспечивающее многозонную импульсную модуляцию высокочастотного напряжения; 6, 7 линейно-падающее и линейно-нарастающее пилообразные на- пряя-рния соответственно; 8-13 зоны рпл пиров.ания, разнесенные по уровню нопичииы входного сигнала; 9 вы- хилпьк мслу/ифованные напряжения.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

какдоГ из мод.упирующих ячеек, r((vr- ветствующие 8-11 чонам регу1И1ропан: .я; 20 огибающая (первая гармоника) выходного напряжения, общего для всех модулирующих ячеек; 21 высокочастотное выходное напряжение, общее (суммарное) для всех модулирующих ячеек.

На фиг.2 обозначено: 22 алгоритмы работы в гходного демодулятора (фазо- чувствительного выпрямителя); 23 огибающая выходного напряжения демодулятора (первая гармоника); 24 выходное нефильтрованное напряжение демодулятора; 25 мгновенное значение входного тока (нефильтрованное) и его огибающая (первая гармоника) .

Устройство для осуществления способа преобразования переменного напряжения в постоянное, представленное, на фиг.З, содержит модулирующие (инвертирующие) ячейки 26 с высокочас- тотными трансформаторами 27-29, первичные обмотки которых подключены к выходам 30 и 31, инверторных ячеек 26 на ключах с двухсторонней проводимостью 32-35. Вторичные обмотки 36-38 трансформаторов 27-29 соединены последовательно и подключены к фазочувствительному выпрямителю 39 на управляемых ключах 40-43,с двухсторонней проводимостью. Выход фа- зочувствительного выпрямителя 39 подключен к дросселю 44 и конденсатору 45, образующим фильтр с индуктивной реакцией, подключенный к нагрузке 46. .Силовые входы 47 и 48 инверторных ячеек 26 соединены параллельно и подключены к зажимам 49 и 50 сети переменного тока.

Управляющие входы 51-56 транзисторных ключей 32-35 с двухсторонней проводимостью подсоединены к выходам фазосдвигающих блоков 57-62, входы 63-68 фазосдвигающих блоков 57-62 подсоединены к выходам задающего ге- нератора 69, а входы 70-75 подключены к выходам блоков 76-78 последовательно нарастающих уровней, входы 79- 81 которых объединены. Управляющие цепи 82 ключей 40-43 (демодулятора) фазочувствительного выпрямителя 39 соединены с выходом задающего генератора 69. Блок 83 регулирования фазы модулирующего напряжения соединен входами 84 и 85 с зажимам71 49 и 50 входной сети через согласующий трансформатор ,86 с синхронизированным г е- нератором 87 стабильной ямплитуды.

который, в свою очередь, соединен с /первым фазосдвигаюпшм узлом 88 на операционном усилителе 89, резисторах 90-92 и конденсаторе 93, Выход первого фазосдвигающего узла 88 соединен с инвертирующим усилителем 94, соединенным с регулируемым фазосдви- гающим узлом 95 на операционном уси- 96, резисторах 97-99 и конденсаторе 100. В эту же последовательную цепь может быть включен выпрямитель 101, выход которого образуе выход 102 блока 83 регулирования фазы модулирующего напряжения. Выход 102 соединен с- объединенными входами 79-81 блоков 76-78 с последовательно нарастающими уровнями.

Блок 76-78 последовательно нарастающих уровней, представленный на фиг.4, содержит операционный усилитель 103 в режиме дифференциального включения, к инвертирующему входу которого подключен источник постоянног напряжения 104, помеченный дополнительно U; , что говорит О ТОМ, ЧТО ве личина напряж ения источникбв 104 выбирается различной для каждого из блоков 76-78. Выход усилителя 103 образует выход блока последовательно нарастающих уройней, а неинвертирующий вход,усилителя 103 - вход блока 76-78.

На фиг.5 обозначено: 105 пилообразное напряжение, с которым сравнивается входной сигнал U g, блоков 76-78; 106-108 выходные сигналы блоков 76-78 с последовательно нарастающими уровнями (2Un э -Ur, ,0, Un, 2Un,

зи„).

Фазосдвиговый блок 57-62, представленный на фиг,6, содержит генератор 109 пилообразного напряжения, синхронизирующий вход 63-68 которого соединен с задающим генератором 69, компаратор 110, на выходе которого включен логический элемент 111 равнозначности, подключенный ко входу узла 112 развязки и усиления с прямым 113 и инверсным 114 выходами,

На фиг,7 обозначено: 115 напряжение на выходе задающего генератора 69} 116 выходной сигнал генер атора 109 пилообразногонапряжения; 117 управляющий сигнал на входах 70-75; 11В напряжение на вьпсоде компаратора .110; 119 напряжение на выходе логического элемента 111. равнозначности; 120, 121 напряжение на прямом

5

0

5

0

5

0

5

0

5

113 и инверсном 114 входах узла 112 развязки-и усиления; d угол сдвига фазы напряжений на выходах 113, 114, относительно фазы импульсов 115 задающего генератора, в случае, если ге- - нератор 109 вырабатывает линейно-нарастающее пилообразное напряжение; /5 угол сдвига фазы напряжения на выходах 113, 114, относительно фазы импульсов 115 задающего генератора 69, в случае, если генератор 109 вырабатывает линейно-спадающее пилообразное напряжение.

Предлагаемый способ преобразования переменного напряжения в постоянное заключается в следующем.

Переменное напряжение 1 Сфиг.) сети U,(t) Ufp., sinwt преобразуется в напряжение 2 - (t) промежуточной частоты с -помощью каждой из инвер- торных ячеек 26 (фиг,3). Это преобразование можно записать произведением напряжения ) на некоторую модулирующую коммутационную функцию fa(wpt), которая периодически принимает значения ±1 с периодом повторения 2а ЫгтТр, где Тп период повышенной частоты. Со,, -круговая повьшенная частота. Тогда получим

и,., (t)U f(Wf,t). sinu)t, (1)

где i 1,2,.,,,N;

N - число инверторньгх ячеек.

Полученное напряжение ) трансформируют с помощью трансформаторов повьппенной частоты 27-29 и подвергают многозонной импульсной модуляции путем подачи синусоидального напряжения 3 на объединенные входы 79-81 блоков 76-78 с последовательно нарастающими уровнями. Синусоидальное напряжение 3, сдвинутое по фазе относительно напряжения сети 1, подвергает напряжение U /j; (t) каждой из инверторных ячеек широтно-импульсной модуляции, так как показано на фиг,1, напряжение 14-19,

При этом, для суммарного выходного напряжения 21 - U(t) всех вторичных обмоток 36-38, трансформаторов 27- 29 можно записать

N

UjCt) u,,-(t) - ipj;t)

i .

Um-,-frt()-sinU)t -VMiCt) (2)

1 1N

Un,if a(cOpt) -Sinwt JZ.VM,(t),

11.1

r-fleij M(t) - модулирующая функция в каждой из инверторных ячеек 26.

Как следует из фиг.1, модулирую- щая функция 3 для всех инверторных ячеек синусоидальная и отстает по фазе от напряжения сети 1 на угол if, т,е.

(t) If „е- Sin(wt Ч)

1 1

Тогда выражение 2 можно записать в виде,

) и,. faCuj t) sintdt «

„„sinCuJt -i-qi) Um, ft,() (3) 4cos u - cas(2ujt +q ).

Выражение (3) показывает, что суммарное напряжение 21 всех инверторных ячеек 26 представляет собой высокочастотное напряжение с огибающей 20, представляющей собой функцию 25 и,,, cos I/- и ,„г cos( -f Ч). Естественно, что это справедливо лишь для первой гармоники огибающей. Напряжение 21 выпрямляется (демодулируется) фазочувствительнык выпрямителем (де- ЗО модулятором), что математически можно выразить произведением напряжения 21 (выражение 3) на модулирующую функцию промежуточной частоты ). Тогда для выпрямленного (демодулированного) напряжения 24 - Un(t) справедливо вьфажениё

U4(t; tUm cosif-Un,,, cos(2u)t + Ч)- f2a().

40

которое преобразуется к виду

) U cosi;- u cos(2wt+),(4)

потому, что модулирующая функция f „(Wpt; обладает свойством f(u)r,tj b Из выражения (А) видно, что напряжение на выходе фазочувствительного вы- прямителя (демодулятора) 39 содержит постоянную составляющую U CQSlf

и напряжение второй гармоники U,,cos(2u.t + If).

Выходное напряжение 23 демодулятора 39 фильтруется дросселем ДА и кон- денсатором 45 так, что в дросселе 44 протекает постоянный ток 1, который с помощью управляемых ключей 40-43

демодулятора 39 преобразуется в ток промежуточной частоты

iHiCt; I .t),

(5)

который протекает через вторичные обмотки 36-38 трансформаторов 27-29. Поскольку инверторные ячейки 26 включены параллельно, а каждая из ячеек осуществляет модуляцию длительности импульсов высокочастотного напряжения в соответствии с видом напряжений 14-19 и соответствующей модулирукяцей функцией V,; (t)- fa(u)t) (выражение 2), то для потребляемого из сети тока 25 будет справедливо (по первой гармони- ке) выражение

N

i,(t) II IH fc,(u nt)V,;(t)

f«(CMnt) lH-f,(Wnt) ЦулдДЬ) (6)

1„ sin(wt + (f)

5 О

0

5

так как ) 1, а суммарное модулирующее воздействие 3 (фиг.1) N

sin(wt +(f ) .

1ч

Выражение 6 показьшает, что по от- нощению к току 1ц дросселя 44 демодулятор 39 выступает с роли демодулятора,, который преобразует постоянный ток (, в ток повыщенной частоты, который протекает по вторичным обмоткам 36-38 трансформаторов 27-29. Инвер- торные ячейки 26 при .этом выступают в роли демодуляторов тока, которые преобразуют высокочастотньй ток,протекающий по обмоткам вторичным 36-38, в ток 25, потребляемый из сети. . Форма тока 25 показывает, что он ступенчато-синусоидальный и очень близок к синусоиде, которая представляет собой первую гармонику входного тока. Кроме того, ток 25 сдвинут по фазе.относительно входного напряжения 1 сети на этот же угол t/, что и входное модулирующее напряжение 3.

Регулирование выходного напряжения достигается регулированием фазы модулирующего напряжения 3, которое осуществляется переменным резистором 98. При этом, синусоидальность формы модулируняце го напряжения 3 обеспечивает практически синусоидальный входной ток 25 с углом сдвига

713

фазы If , равным углу сдвига фазы модулирующего воздействия. Число ступеней во входном токе, пропорциональное числу работающих инверторов, с уменьшением амплитуды модулирующего воздействия уменьшается и при амплитуде модулирующего воздействия,, равной амплитуде пилообразного напряжения 6 и 7, синусоидальность входного тока обеспечиваетс я широтно-им- пульсной модуляцией тока нагрузки.

Устройство (фиг.З), отражающее пример реализации, работает следующим образом.

Переменное напряжение 1 сети (фиг.1) через входные зажимы 49 и 50 поступает на инверторные ячейки 26, включенные параллельно. Каждая из ячеек 26, выполненная на управляемых транзисторных ключах 32-35, алгоритм работы которых определяется фазосдви гающими блоками 57-62 и блоками 76- 78 с последовательно нарастающими уровнями,

Рассмотрим, в первую очередь, работу блоков 76-78 по фиг,4, Модулирующее напряжение Ug (фиг,4) поступает на вход блоков 76-78 которые представляют собой вычитающие усилители так, что напряжение на выходах будет равно V KW ъ): Un - U, - пороговое напряжение, уровень которого задается источником напряжения 104, Пороговые напряжения блоков 76- 78 выб{)аны следующим образом: U-, 2и„; и„ Up; U 3 О, где U „ - амплитуда пилообразного развертывающего напряжения 6 и 7, Так как на фиг,1 Приведены диаграммы для шести инвер- торных ячеек 26, что можно еще условно ввести блоки 76а-78а с последовательно нарастающими уровнями и задать им соответственно следующие пороговые напряжения: UTO -Un U 2U

напряжения: 1,, -bpi 780 tt 760 Тогда выходные напряжения токов 76-78 и 76а-78а с последовательно нарастающими уровнями будут иметь вид:

Смещение выходного сигнала относительно входного на величину последовательно нарастающих уровней позво0

5

0

5

л

0

5

5

0

5

ляет достичь того, что выходные си1- налы блоков 76-78 и 76а-78а вступают в сравнение с пилообразным напряжением 105 (фиг,5) последовательно, по очереди, как показано на фиг,5, Так, при управляющем сигнале, изменяющемся в пределах О-и,, , сравнение выходного сигнала 106 с пилой 105 будет происходить у блока, пороговый уровень напряжения которого равен нулю. При изменении входного модулирующего сигнала в пределах от U, до 21) сравнение его с пилой 105 будет происходить у блока, пороговый уровень напряжения которого равен U, и так далее. При дальнейшем увеличении входного модулирующего сигнала в работу вступит блок с пороговым уровнем напряжения 21 ,,,,,NU|, Блоки с напряжениями, пороговый уровень которых отрицателен, будут вступать в работу лишь при отрицательных зна чениях входного сигнала.

Выходные- напряжения блоков 76-78, смещенные пороговыми уровнями U; , поступают на управляющие входы 70-75 фазосдвигающих блоков 57-62, реализация которых приведена на фиг,6, Причем, у блоков 57, 59 и 61 используется генератор 109 линейно-нарастающего напряжения 7, а у блоков 58, 60 и 62 - генератор линейно-падающего -Го напряжения 6. Поэтому при возрастании

входного управляющего напряжения

ьх

угол d сдвига фаз (фиг,7) выходного сигнала 119, 120 на выходах 113, 114 в блоках 57, 59, 61 изменяется в сторону отставания от напряжения 115 задающего генератора 69, г в блоках 58, 60, 62 - в сторону опережения (угол /ь сдвига фазы сигнала 122 на фиг,7), Таким образом, как только выходной сигнал блоков 76-78 выйдет в зону сравнения с пилообразным напряжением 6 и 7, углы 0 и /i сдвига фаз сигналов с фазосдвигающих блоков 57-62 изменяются и изменят соответственно алгоритмы замыкания ключей 32-35 соответствующих инверторных ячеек 26, Каждая из ячеек 26 реализует три режима работы, Пё рвый режим: входное модулирующее (управляющее) напряжение по уровню ниже уровня пилообразного напряжения, К,пючи 32-35 инвертора 26 замыкаются по циклу 33, 34-32, 35 (рядом стоящие, через запятую номера лючeй обозначают их одновременное замкнутое состояние на

полупериоде повыненной частоты, а ле- фис -- смену состояния ключей) . Выходное напряжение соответствуюш,его инвертора 26 в этом случае находится в противофазе с пыгокочастотным нап- ряжением 2. Второй режим: входное модулирующее напряжение по уровню равно половине амплитуды пилообразного наптором 39, в качестве KOTi ipoi o можно использовать реверсивный выпрямитель на полностью управляемых ключах 32-35 с двухсторонней проводимостью, которые управляются по алгоритму 22, так, что напряжение на выходе выпрямителя 39 будет иметь вид 2А, а ток по входной цепи - 25. Из фиг.2 видно, что

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение в регуляторах и стабилизаторах напряжения. Целью является улучшение формы потребляемого из сети тока. Устр-во содержит инверторные (модулирующие) ячейки на транзисторных ключах с двухсторонней проводимостью, соединенные параллельно с трансформаторами повьшенной частоты 27-29. Вторичные обмотки 36-38 трансформаторов 27-29 соединены последовательно и подключены к фазочувстви- тельному выпрямителю 39. Блок управления инверторными ячейками соединен с выходом 102 блока 83 регулирования фазы модулирующего напряжения. Син- хронизированньй генератор87 стабильной амплитуды через согласующий трансформатор 86 соединен с зажимами 49, 50 входной сети. Переменное напряжение сети подвергают многозонной импульсной модуляции по синусоидальному закону с частотой напряжения сети, за счет чего ток, потребляемый из сети, становится синусоидальным. Регулирование модулирующего напряжения по амплитуде позволяет регулировать выходное постоянное напряжение без ухудшения потребляемого из сети тока во всем диапазоне регулирования напряжения. 1 з.п. ф-лы, 7 ил. S (Л

синусоидальньп, а число ступенек тока определяется числом инверторных ячеек. Для увеличения числа ступеней напряжение с выхода операционного

ряжения 6 и 7, Ключи 32-35 замыкаются|о ток 25 во входной цепи практически по циклу 32, 33-34, 35, Первичная обмотка соответствующего трансформатора (из 27-29) закорочена. Напряжение на соответствующей выходной обмотке трансформатора (из 36-38) будет рав- (5 усилителя 96 может быть выпрямлено но нулю. Ток от сети этим инвертором выпрямителем 101 и, в этом случае не будет потребляться. Третий режим: модулирующее напряжение будет иметЬ:, входное модулирующее напряжение по вид 4 на фиг.1. Ток 25 во входной це- уровню больше амплитуды пилообразных пи практически синусоидальный при напряжений 6 и 7, Ключи соответствую-20 токе нагрузки, а регули- щего инвертора 26 замыкаются по циклу рование выходного напряжения осущест- 32, 35-33, ЗА. Выходное напряжение вляется изменением фазы модулирующе соответствующего инвертора 26 совпадает по фазе с высокочастотным,напряго сигнала относительно фазы напряжения сети практически без искажения входного тока во всем диапазоне изменения.

жением 2. Модулирующее напряжение 3 формируется блоком 83 регулирования фазы, который работает следующим образом. Напряжение сети, с зажимов 49 и 50 через согласующий трансформатор 86, синхронизированный генератор 87 стабильной амплитуды поступает на вход первого фазосдвигающего узла 88, которьш сдвигает фазу на 90 , так как выходное напряжение такого звена определяется выражением:

и

и.К.е

JiC

2шгс где ц- arctg - --Т Т-Т

К - коэффициент пропорциональности.

Величина сопротивления 92 или емкости 93 выбрана таким образом, что (f 90. Затем напряжение инвертируется инвертирующим усилителем 94 и подается на фазосдвигающий узел 95, величина сопротивления 98 которого изменяется в пределах О - со , при этом фаза изменяется в пределах 0-180 Таким образом, относительно фазы 90°, выходное напряжение усилителя 96 изменяется на 190°. Это напряжение подается на объединенные входы 79-81 блоков 76-78 с последовательно нарастающим уровнями и подвергает напряже- ние инверторных ячеек 26 модуляции. Суммарт{ое напряжение 24 всех ячеек 26 подвергается демодуляции демодуля

синусоидальньп, а число ступенек тока определяется числом инверторных ячеек. Для увеличения числа ступеней напряжение с выхода операционного

ток 25 во входной цепи практически усилителя 96 может быть выпрямлено выпрямителем 101 и, в этом случае модулирующее напряжение будет иметЬ:, вид 4 на фиг.1. Ток 25 во входной це- пи практически синусоидальный при токе нагрузки, а регули- рование выходного напряжения осущест- вляется изменением фазы модулирующео ток 25 во входной цепи практически 5 усилителя 96 может быть выпрямлено выпрямителем 101 и, в этом случае модулирующее напряжение будет иметЬ:, вид 4 на фиг.1. Ток 25 во входной це- пи практически синусоидальный при 0 токе нагрузки, а регули- рование выходного напряжения осущест- вляется изменением фазы модулирующе

5

0

5

0

5

50

го сигнала относительно фазы напряжения сети практически без искажения входного тока во всем диапазоне изменения.

Таким образом, предлагаемый способ преобразования переменного напряжения в постоянное позволяет по сравнений с известным улучшить форму потребляемого из сети тока при работе на вьтрямитель с активно-индуктивной нагрузкой.

Кроме того, предлагаемый способ преобразования позволяет расширить функциональные возможности преобразователя за счет регулирования коэффициента мощности преобразователя индуктивного до емкостного и во можнос- ти осуществления режима удвоения частоты. .

Фор мула изобретения

11

с рет ултфуемой ампной фазой,

п.1, отличаю что, с целью расши13HS208

ре сч но уп об

Фиг.

12

рения фу)кг1Иональ ных возможностей за счет обеспечения регулирования входного коэффициента мощности, фазу упомянутого управляющего сигнала обеспечивают изменяемой.

Фив. 2

2Un -Un О Un ZUn 3Ua .. Фиг.З

/

106 107 т

U8x