Преобразователь @ -фазного напряжения с промежуточным ВЧ-преобразователем Советский патент 1988 года по МПК H02M5/27 

S

оо со

4

СО

1(3

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к технике преобразования переменного напряжения в постоянное, и может най- ти применение в быстродействующих регуляторах напряжения в качестве электронного аналога электромашинного усилителя, в реверсивных электроприводах, в усилителях сигналов низкой частоты, в модуляторах напряжения, устройствах ввода и вывода энергии в реактивные накопители, в тех случаях, когда требуется высокое быстродействие регулирования, минимальные масса и габариты, равномерная загрузка током всех m фаз.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет придания устройству свойств воспроизве- дения сигналов зарядной формы.

На фиг.1 представлена основная структурная схема устройства (при ре- гулирова,нии выходного напряжения инверторами) j на фиг.2 - возможная мо- дификация структурной схемы устройства (при регулировании выходного напряжения демодулятором), на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие работу устройства при угле регулирова- кия напряжения, равном нулю/на фиг.А временные диаграммы, поясняющие ра- боту устройства при изменении полярности выходного напряжения в процессе регулирования; на фиг.З и 6 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства на фиг.2.

Устройство (фиг.1) содержит входной 1 и выходной 2 фильтры, m (для определенности, принято m 3) инвер- торных ячеек 3-5 на полностью управляемых ключах 6-17 с двусторонней проводимостью, по одной ячейке в каждой фазе, в диагонали высокой частоты которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов 18-20, а другими диагоналями инверт- ные ячейки через входной фильтр 1 Соединены с питающей сетью по схеме звезда. Вторичные обмотки высокочастотных трансформаторов 18-20 соединены последовательно и подключены к диагонали высокой частоты демодуля тора 21 на полностью управляемых ключах 22-25 с двусторонней проводимостью, выходные выводы демодулятора 21 через выходной фильтр 2 соединены с нагрузкой 26. Схема 27 управления содержит 2т+1 узлов 28 развязки, два

- д 5

0

5 0

двухвходовых логических элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31, распределитель 32 импульсов синхронизированный с сетью, задающий генератор 33, выход которого соединен с тактовыми входами двух фазосдвигающих узлов ЗА и 35 с регулируемыми углами задержки 34 и опережения 35. Управляющие входы фазосдвигающих узлов 34 и 35.объединены и образуют управляющий вход преобразователя. Выход задающего генератора 33 подключен также к йходу одного из узлов 28 развязки, противо- тактные выходы которого подключены к управляемым входам ключей 22-25 модулятора 21, противотактные выходы остальных 2т узлов 28 развязки связаны с управляющими входами ключей 6-17 инверторных ячеек 3-5, а их входы соединены с выходами 2т логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31, причем первые входы первой группы и логических элементов ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ 29-31 объединены и подключены к выходу фазосдвигающего узла 34 с регулируемым углом задержки о(р, а первые входы второй группы m логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31 также объединены и подключены к выходу фазосдвигающего узла 35 с регулируемым углом опережения /jp, вторые входы логических элементов 29,29 30,30 и 31,31 первой m и второй m групп попарно объединены и соединены с соответствующей фазой преобразователя через распределитель 32 импульсов.

Фазосдвигающие узлы 34 и 35 с регулируемыми углами задержки и опе- jQ режения /ip выполнены по двухканаль- ной схеме, каждый канал включает последовательно соединенные генератор .36(37) развертывающего напряжения, компаратор 38(39) и двухвходовый логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 40 (41), выход которого образует выход фазосдвигающего узла 34(35), а одни из входов логических элементов ИСКПЮ- ЧАЮиЩЕ ИЛИ 40 и 41 обоих каналов объединены между собой и с входами генераторов 36 и 37 развертывающих напряжений и образуют тактовый вход фазосдвигающих узлов 34 и 35.

Модификация преобразователя т-фаз- ного переменного напряжения на фиг.2 отличается лишь несколько иным построением блока управления.

Блок 27 управления содержит п+2 узлов 28 развязки, тп двухвходовых

5

5

0

5

логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31. Выходы фазосдвигающих узлов 34 и 35 соединены с входами двух узлов развязки, противотактные выходы которых подключены к управляющим входам ключей 22-25 демодулятора 21, противотактные выходы остальных m узлов 28 развязки связаны с управляющими входами ключей 6-17 инверторных ячеек 3-5, а их входы соединены с выходами m логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31, первые входы которых объединены и подключены к выходу задающего генератора 33, а вторые входы, по-прежнему, соединены с соответствующими фазами преобразователя через распределитель 32 импульсов.

На фиг.3-6 обозначено: 44 - трехфазная система входного

переменного напряжения; дополнительный сигнал повьшен- ной частоты;

основной сигнал типа меандр.

35

синфазный с напряжением 42;

сигнал, полученный модуляцией сигналов 45 и 46;

- модулированные напряжения пи- тающей сети; ,3Q

суммарное напряжение;

демодулированное напряжение}

выходное напряжение задающего

генератора 33 и узла 28 развязки, связанного с управляющими цепями ключей 22-25 демодулятора 21;

55 - выходные напряжения генераторов 36 и 37 развертывающих напряжений соответственно (ли- нейно-падающее напряжение 55 для наглядности представлено пунктирной линией);

управляющее напряжение (U, на

фиг.1) преобразователя;

58 - выходные напряжения фазосдвигающих узлов 34 и 35;

6Г- синхронизирующие напряжения, фазы которых совпадают с соответствующими фазами входного напряжения 42-44;

7 - выходные напряжения узлов 28 развязки, связан гых с управляющими цепями ключей 6-17 инверторных ячеек 3-5;

- напряжеггия, действующие на

обмотках трансформаторов 18-20-,

входное няпряжение демодулятора 21;

45

50

55

5

0

5

5

Q

5

0

5

72- выходное напряжение демодулято-.

ра 21;

73- ток в нагрузке 26;

74-76 - токи, потребляемые преобразователем из входного фильтра 1;

77- напряжение на выходе задающего

генератора 33;

78- входное напряжение одной из фаз

преобразователя;

79- синхронизирующее напряжение (на выходе узла 32) этой же фазы

80и 81 - выходные напряжения узла 28

развязки, связанного с управля- ющими цепями ключей 6, 9 и 7, 8 инвертора 3;

82- напряжение, д ействующее на обмотках трансформатора 18,

83- входное напряжение демодулятора 21;

84- напряжение управления преобразователем (и на фиг.2)}

85и 86 - выходные напряжения узлов

28 развязки, соединеннЬгх с фазо- сдвигающими блоками 34 и 35

87- выходное напряжение демодулятора 21 V

88- выходное напряжение фильтра 2. Согласно изобретению способ преобразования исходной системы напряжений (1) (для m 3 на фиг.З) 42-44

УЛ Ы т

UB (e +,1/ЗТ)

Uc ((/ + 2/3T)J (1) заключается в формировании основной системы т-фазных сигналов (2) с частотой следования, равной частоте сети (на фиг.З показан один сигнал 46, совпадающий по фазе с напряжением 42)

fA(t) 1 ffl(t + 1/ЗТ) (2)

f/,(t + 2/3T)j,

де fд - функция прямоугольного синуса с периодом А Т.

Систему сигналов (2) модулируют сигналом 45 более высокой частоты f(t) с периодом а, при этом получают п-фазный сигнал (3) f«(t)-f

-q(t)-f«(t)

f(t)-fxi(t + 1/ЗТ)

(3)

fa(t)-fA(t + 2/3T)j , которым модулируют соответствующее по фазе входное напряжение (1) и получают напряжение повышенной частоты 48-50, которые аналитически можно представить произведением (3) на (1), т.е.

« f «(t) -f (t)sino/ и„ f«(t.)-f(t + 1/3T)sin(/ + + 1/3T)(A)

f«(t)f ,(t + 2/3T)sin(of +

и

56

+ 2/3T).

Эту операцию осуществляют инверторы 3-5 (фиг.1 и 2). .

Индексы при напряжениях и 4J , U49 Ujg в (3) совпадают с обозначениями .этих напряжений на фиг.З. Затем напряжения (4) трансформируют высокочастотными трансформаторами 18-20 (фиг.1), первичные обмотки которых подключены к выходам инверторов 3-5, и формируют напряжение 51 повышенной частоты (фиг.З) постоянной амплитуды путем суммирования напряжений (4) повышенной частоты всех m фаз. В устройстве по фиг.1 и 2 зта операция осуществляется последовательным соединением вторичных обмоток трансформаторов. Следовательно,

Uf, Z: Ui f „(t)-fA(t)Un, + fo,(t)fд(t + 1/3T)sin(o( + 1/3T) + + f«(t)-ffl(f + 2/3T)sin(o( + 2/3T) fo,(t) -U Jfo,(t)sino/ + f(t + 1/3T) X X sin(c/ + 1/3T) + ffl(t + 2/3T)sino/ + + 2/3T)3 .(5)

По выражению (5) видно, что слагаемые в квадратных скобках представляют собой взятые по модулю синусоидальные функции, т.е.

f/(t)-sin о( lsino(|,

поэтому суммарное напряжение Ug, (фиг.З), в отличие от известных сумм напряжений вида (1), равных либо нулю (закрытый треугольник), либо синусоидальной функции (открытый треугольник) , представляет собой высокочас- тотнсе напряжение постоянной амплитуды.

Далее полученное напряжение (5) демодулируют демодулятором 21 (фиг.1) к входу которого подключены после- довательно соединенные обмотки трансформаторов 18-20. Процесс демодуляции напряжения можно представить как произведение вьфажения (5) на fi,(t). Учитывая, что f(t) 1, получим

и U,ntfflsine(+ fx,(t + 1/ЗТ) X X sin(o(+ 1/ЗТ) + f (t + 2/ЗТ) X X sin(ef + 2/ЗТ) . (6) Выражение (6) описывает напряжение 5 при отсутствии регулирования. На при мерах реализации способа рассмотрим процессы преобразования и регулирования.

Принцип работы преобразователя по первому варианту заключается в следующем .

Входное т-фазное напряжение 42-44 (фиг.4) через фильтр 1 поступает на входные выводы инверторных ячеек 3-5 (фиг.1), алгоритм замыкания ключей которых определяется величиной управляющего напряжения 56. Задающий генератор 33 формирует напряжение 53, моменты смены полярности которого являются тактирующими для генераторов 36 и 37 развертывающих напряжений, причем выходное напряжение 54 генератора 36 представляет собой линейно-нарастающее, а напряжение 55 - линейно- падающее. При величине управляющего напряжения 56 большей амплитуды развертывающих напряжений 54 и 55 уровень выходного напряжения компараторов 38 и 39 соответствует уровню ло- тического нуля и на выходе логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 40 и 41 действуют напряжения 57 и 58, совпадающие по фазе с напряжением 53 задающего генератора.

Углы регулирования о/р и р в таком режиме максимальны и равны полупериоду напряжения 1повышенной частоты (о(р рр 0-). Напряжение 57 поступает на первые входы групп m логических элементов 29-31, а на первые входы второй группы m логических элементов 29-31 поступает напряжение 58. На вторых объединенных входах логических элементов 29 действует выходное напряжение 59 синхронизирующего узла 32, полученное из выходного напряжения 42 пороговым элементом, например компаратором. На вторых объединенных входах логических элементов 30 и 31 действуют напряжения 60 и 61 соответствующей фазы. На выходах элементов 29 действуют однополярные напряжения которые узлами 28 развязки преобразуются в разнополярные напряжения 62 и 63, моменты смены полярности которых при переходе напряжения 42 через нулевое значение не изменяются. Аналогично, на выходах других узлов 28 развязки, соединенных с логически- ми элементами 30 и 31, формируются напряжения 64-67 соответственно. Положительные полуволны напряжений 62- 67 соответствуют замкнутому состоянию KJfючeй 6, 9, 10, 13, 14 и 17 соответственно, а отрицательные - ключей 7, 8, II, 12, 15 и 16 инверторных ячеек 3-5. Таким образом, до момента времени t алгоритм замыкания ключей инверторных ячеек не изменяется (в частности для инверторной ячейки 3 одновременно замкнуты ключи 6 и 9, затем 7 и 8 и т.д. в соответствии с диаграммами 62, 63) и напряжение 42 преобразуется в высокочастотное напряжение 68, напряжение 43- в напряжения 69 и 44 - в напряжение 70. Поскольку вторичные обмотки трансформаторов 18-20 соединены последовательно, то на входе демодулятора 21 действует высокочастотное напряжение 71 (фиг.5), равное сумме напряжений 68-70. Огибающая амплитуды этого напряжения имеет пятипроцентную пульсацию с частотой 300 Гц. Ключи демодулятора 21 замыкаются в соответствии с напряжением 53 так, что положительная полуволна этого напряжения соответствует замкнутому состоянию ключей 22 и 25, а отрицательная - ключей 23 и 24, преобразуя тем самым напряжение 71 в выпрямленное напряжение 72, под действием которого в нагрузке 26 протекает ток 73, для случая активно-индуктивной нагрузки. Выпрямленное напряжение в интервале времени О - t t описывается выра- ;жением 6.

Принимая Г/2 за начало отсчета для напряжения 68 (фиг.4), с учетом (6), на интервале повторяемости напряжения 72 среднее значение выходного напряжения демодулятора можно

представить в следующем виде Tf/i

и . Д + cos(oif + 60°)

-Tilt, tfit,

+ cos (of - 60°)do( I J U coso/d 6„ 6V2,

fUfn -ij -Uptt. - 2,7иэф

(7)

По отношению к трехфазной мостовой схеме выпрям-пения здесь выходное напряжение на 0,36 Ug, больще.

Постоянный ток 73 нагрузки (обозначим его через Ij) преобразуется демодулятором в высокочастотньй ток, протекающий по обмоткам трансформаторов, т.е.

I т-р I J f o,(t). (8) Ключами инверторов этот ток преобразуется в прямоугольный потребляемый ток 74-76, так как

Петр

ITP/KT- f (t) f (t)

Irf/K,- f2,(t;) fA(t) Ij/K,-f/,(t)9)

10

5

20

25

30

35

40

45

50

55

потому, что fo(t) 1, a KT коэффициент трансформации трансформаторов 18-20.

С момента времени t управляющее напряжение 56 начинает уменьшаться, и как только U,, становится соизмеримо с напряжениями 54 и 55, начинают изменяться фазы выходных напряжений 57 и 58 фазосдвигающих узлов 34 и 35, как показано на фиг.4. Углы регули- { ования /р и /JP становятся меньше полупериода напряжения повьшенной час- тоты„и непрерывно изменяются до момента времени t, когда U становится по величине меньше нуля. При t tj Йр О и фазы напряжений 57 и 58 совпадают между собой, .но находятся в противофазе с фазой напряжения 53 задающего генератора 33. Диаграмма состояний логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31 известна

Вход 1 Вход 2 Выход О О о

011

1О 1 1 1 О

В соответствии с этой диаграммой в интервале времени формируются напряжения 62-67 узлов 28 развязки, связанных с управляющими цепями ключей инверторных ячеек 3-5. Алгоритм замыкания ключей, например инверторной ячейки 3, в этом интервале непрерывно изменяется (при каждой смене полярности любого из напряжений 62 и 63) так, что одновременно замкнуты следующие ключи: 8,7-7,9- 9,6-6,8-8,7-7,9-7,8-8,6-6,9-9,7-7,8. При t 7 t одновременно замкнуты ключи 7 и 8 или 6 и 9 и т.д. Поскольку замкнутое состояние ключей 6 и 8 или 7 и 9 закорачивает первичную обмотку трансформатора 18, то и напряжение в эти моменты становится равным нулю, а приведенный вьппе алгоритм переключения ключей 6-9 приводит к плавному регулированию напряжения 68 на рассматриваемом интервале, и ре- версрфованию фазы этого напряжения (с момента, когда И становится меньше половины амплитуды напряжений 54 и 55). В остальньк фазах регулирование напряжений 69 и 70 осуществляется синхронно в соответствии с управляющими напряжениями 64-67. Напряжение 71, равное сумме напряжений 68-70, регулируется за счет синхронного из- менения длительности импульсов повы91394370

шенной частоты во всех фазах и реверсируется. Алгоритм работы ключей демодулятора 21 не изменяется: одновременно замыкаются ключи 22 и 25, затем 23 и 24 и т.д., поэтому на выходе демодулятора действует выпрямленное напряжение 72, которое ав- томатически реверсируется по сигна10

осуществляется последовательным соединением вт оричных обмоток трандфор- маторов 18-20, подключенных к входу демодулятора 21, который осуществляет выпрямление напряжения 83, регулирование и реверсирование выходного напряжения преобразователя в соответствии с величиной напряжения 84 управ

Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б. использовано в регулируемых электроприводах, усилителях низкой частоты, устр- вах ввода и вывода энергии в накопители. Целью является расширение функциональных возможностей за счет придания устройству свойств воспроизведения сигналов заданной формы. Устр- во содержит m инверторных ячеек 3-5 на полностью управляемых ключах 6-17 с двусторонней проводимостью, в диагонали высокой частоты которых включены первичные обмотки высокочастотных тр-ров 18-20, Вторичные обмотки тр-ров соединены последовательно и подключены к входу демодулятора 21 на полностью управляемых ключах 22- 25 с двусторонней проводимостью. Схема 27 управления обеспечивает регулирование напряжения и его реверсирование ключами инверторных ячеек, бил. о S сл с

20

25

30

лу управления U. В активно-индуктив- 0 ления. На фиг.6 для упрощения опуще- ной нагрузке 26 протекает сглаженный ток 73, который согласно выражению (9) потребляется из сети в виде раз- нополярных прямоугольных импульсов 74-76 с периодом Т. В моменты време- е ни, когда напряжение на нагрузке и Ток не совпадают по знаку, преобразователь переходит в инверторный режим при котором токи 74г76 в фазах протекают навстречу питающему напряжению. На фиг.5 такому режиму соответствует один импульс длительностью t. Из приведенных диаграмм видно, что преобразователь имеет внешние характеристики UH (1н) расположенные в четырех квадратах.

Принцип работы преобразователя по второму варианту заключается в следующем.

Напряжение 77 (фиг.6) с выхода задающего генератора 33 (фиг.2) посту- ,пает на один из входов логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31, на другие входы которых поступают синхронизирующие напряжения 59-61 (фиг,4). На фиг.5 для упрощения рас- сматриваются процессы в одной инвер- торной ячейке 3. Для рассматриваемой фазы на втором входе логического элемента 29 действует выходное напряжение 79 распределителя 32 импульсов, синфазное-с входным напряжением 78, а на ;его выходе напряжение 80, которое является управляющим для узла 28 развязки. На выходах узла 28 развязки действует разнополярное напряжение 81, положительные полуволны которого соответствуют замкнутому состоянию ключей 6 и 9, а отрицательные - 7 и 8. На управляющих входах ключей других инверторных ячеек 4 и 50 5 действзпот аналогичные разнополярные импульсы со своими фазовыми переходами в моменты смены полярности входных напряжений своих фаз. В соответствии с напряжением 81 инвертор 3 55 преобразует напряжение 78 в напряжение 83 повышенной частоты. Суммирование таких напряжений разных фаз

40

45

ны эпюры развертывающих напряжений, с которыми сравнивается напряжение 84 по аналогии с фиг.4. В интервале времени фазы напряжений 85 и 86 изменяются от максимальной величины (rfp Рр а) до минимальной ( о/р РР 0), причем положительные полуволны напряжений 85 и 86 соответствуют включенному состоянию ключей 22 и 25, а отрицательные - ключей 23 и 24 демодулятора 21. В упомянутом интервале алгоритм замыкания ключей демодулятора будет изменяться от 22, 25- 23, 24 на периоде повышенной частоты до 23, 24 - 22, 25 следующим образом:

23,24 - 23, 25 - 25, 22 - 22, 24 24,23 - 23, 25 - 23, 24 - 24, 22 - 22, 25 - 25, 23 - 23, 24. Выходное напряжение 87 модулятора 21 будет изменяться по. такому же закону, как и на фиг.5. Среднее значение этого напряжения 87 на выходе фильтра 2 представлено на фиг.6 диаграммой 88.

Как следует из предлагаемого способа преобразования и работы уст- ройств он позволяет расширить функциональные возможности, так как удается решить задачу воспроизведения на выходе входного управляющего сигнала.

Формула изобретения

Преобразователь т-фазного напряжения с промежуточным ВЧ-преобразова- телем, содержащий m инверторных ячеек на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, по одной на фазу питающей сети, в выходной диагонали которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов, вторичные обмотки последних соединены последовательно и подключены к входу демодулятора, выходом связанного с выходными выводами, и блок управления, включающий в себя последовательно связанные между собой высокочастотньй задающий генератор, т-канальный распределитель импульсов и логический узел, выходом связанный с управляющими входами ключей ука0

5

0

0 ления. На фиг.6 для упрощения опуще- е

0 5

0

5

ны эпюры развертывающих напряжений, с которыми сравнивается напряжение 84 по аналогии с фиг.4. В интервале времени фазы напряжений 85 и 86 изменяются от максимальной величины (rfp Рр а) до минимальной ( о/р РР 0), причем положительные полуволны напряжений 85 и 86 соответствуют включенному состоянию ключей 22 и 25, а отрицательные - ключей 23 и 24 демодулятора 21. В упомянутом интервале алгоритм замыкания ключей демодулятора будет изменяться от 22, 25- 23, 24 на периоде повышенной частоты до 23, 24 - 22, 25 следующим образом:

23,24 - 23, 25 - 25, 22 - 22, 24 24,23 - 23, 25 - 23, 24 - 24, 22 - 22, 25 - 25, 23 - 23, 24. Выходное напряжение 87 модулятора 21 будет изменяться по. такому же закону, как и на фиг.5. Среднее значение этого напряжения 87 на выходе фильтра 2 представлено на фиг.6 диаграммой 88.

Как следует из предлагаемого способа преобразования и работы уст- ройств он позволяет расширить функциональные возможности, так как удается решить задачу воспроизведения на выходе входного управляющего сигнала.

Формула изобретения

Преобразователь т-фазного напряжения с промежуточным ВЧ-преобразова- телем, содержащий m инверторных ячеек на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, по одной на фазу питающей сети, в выходной диагонали которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов, вторичные обмотки последних соединены последовательно и подключены к входу демодулятора, выходом связанного с выходными выводами, и блок управления, включающий в себя последовательно связанные между собой высокочастотньй задающий генератор, т-канальный распределитель импульсов и логический узел, выходом связанный с управляющими входами ключей ука« .J:

-г/Ш аГ1АаГ

Лл ОЛ ПЛг гП -ииг

52

Ц)1а.з

jn -tfhu ij LJnjgj.

;f

фаг.

UIJ -tJ-Ln- Ьг

л . -« rS . Ч у ™ - I