Устройство для управления преобразователем постоянного напряжения в регулируемое трехфазное Советский патент 1988 года по МПК H02M7/48 

СП

00

00 1C

Изобретение относится к преоВразо вательной технике и может быть использовано при построении источников вторичного электропитания как цент- рализованного, так и децентрализованного типов во всех тех случаях,когда требуются улучшенные массогабаритные показатели и повьш1енное качество преобразованной электроэнергии,

Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения преобразователя при его регулировании и повышение КПД за счет уменьшения числа переключений его ключей в единицу времени,

На фиг,1 представлена схема предлагаемого устройства для управления преобразователем; на фиг,2 - временные диаграммы, поясняющие принцип формирования управляющих сигналов ключами преобразователя; на фиг.З - принципиальная схема силовой части преобразователя, для управлений которого применяется предлагаемое устрой ство; на фиг,4 - временные диаграммы поясняющие принцип формирования выходного фазного напряжения на нагрузке при одном значении угла регулирования о( э О,

Устройство для управления преобразователем постоянного напряжения в регулируемое трехфазное (силовая часть которого представлена на фиг,3) включает в себя задатчик 1 частоты, подключенный к первому 2 и второму 3 делителям частоты, выходы которых подключены к входам элемента 2И-НЕ 4 Выход последнего подключен к входу шестиканального распределителя 5 им- пульсов, выполненного из шести IK- триггерах 6-11. Выходы первого 2 и второго 3 делителей частоты подсоединены также к входам логического элемента 2ИЛИ 12, кроме того, выход второго делителя 3 частоты подключен к счетному входу первого 1К-тригге- ра 13 и к тактовому входу модулятора 14 ширины импульсов. Выход логического элемента 2 ИЛИ 12 подключен к счетному входу второго 1К-тригге-- ра 15, установочный вход I которого объединен с установочным входом 1 первого 1К-триггера 13 и подсоединен к выходу логического элемента 2И-НЕ 4, Инверсный выход второго 1К-триг- гера 15 Qn подключен к одному из входов второго логического элемента ИЛИ 16,.другой вход которого соеди

с ю

15

20 5 30

,j дО д5

0

5

иен с выходом модулятора 14 ширины импульсов S, В состав устройства для управления преобразователем входят также три логических узла: дополнительный 17 и два основных 18 и 19, осуществляющих формирование управляющих сигналов ключами преобразователя.

Дополнительный логический узел 17 содержит два канала, В состав первого входят первый логический элемент НЕ 20 логический элемент 2И-2ИЛИ 21 и второй логический элемент НЕ 22, Связи между выходами Q и Q первого 1К-триггера 13, выходом S модулято- ра 14 ширины импульсов, выходом Q| второго 1К-триггера 15, входом первого канала дополнительного логического узла 17 и его выходом F определяются следующим логическим выражением:

F (Q, + S) QT + (QJ -t- S) QT .

Второй логический элемент НЕ 22 осуществляет инвертирование этого сигнала. Второй канал дополнительного логического узла 17 содержит также логические элементы НЕ 23 и 2И-2ИЛИ 24, Связи между входами этих элементов 23 и 24 с выходами некоторых из перечисленных узлов и элементов (13 и 14) с выходом Н второго ка

нала дополнительного логического узла 17 определяется логическим выражением

Н + Q7S.

Выходы F, F, Н дополнительного логического узла 17 подключены к входам первого основного логического узла 18, другие входы которого соединены с парафазными выходами Q, Q - Q j, Qj первой половины 1К-триггеров 6-8 две- надцатиканального распределителя 5 импульсов и выходами Q7, QT первого 1К-триггера 13.

Логический узел 18 выполнен в виде трех идентичных каналов, каждый из которых содержит четыре логические элемента ЗИ 25-36, логический элемент 4 ИЛИ 37-39 и логический элемент НЕ 40-42, На выходе логического элемента ЗИ 25 формируют сигнпл, опреполяемьгй логическим выражением ,, сиот- ветстнеино на выу,, ло;-ич(-.скс:го элемента 311 26 - rbQ:ili, 27 - QiQ-r, 28

Q,Q.F. На выходе логического элемента 4 ИЛИ 37 формируют логический сигнал Ml (один из выходных сигналов устройства), равный М1 Q Q Q + -t- + , a ia выходе логического элемента HE 40 - сигнал Ml . Остальные каналы вьитолнены аналогично, так что на выходе логического элемента 4 ИЛИ 38 формируют сигна М, QjQjQ , + Q,Q,H + 4 Q. логического элемента 4 ИЛИ 39 - Mj Q, QjQjH -ь QjQgF -ь QjQjF. На выходах логических элементов НЕ 41 формируют -сигнал М-, 42-М,. Выходы М, М , - М , М- образуют одну группу выходов устройства для управления преобразователем (фиг.2), связанную с управляющими входами ключей модулятора. К этой же группе выходов относятся выходы Q-,, Q первого IK- триггера: М Т) .,, М Q . Второй основной логический узел 19 также выполнен трехканальным. В состав каждого канала входят последовательно включенные логический элемент 2-2И- -ИЛИ 43-45 и логический элемент НЕ 46-48. Связи с выхода№1 Q , Q - Q,, Q триггеров 9-11 распределителя 5 импульсов и Q-,, Q-J первого 1К-триг- гера 13, вьтолнены обеспечивающими реализацию следующих логических функций: на выходе лоптческого элемента 2-2И-ИЛИ 43 ДМ, 4+ q-,Q4, 44 ДМ + Q-,Q. 45 ДМ- Q,Q + . На выходе логического элемента НЕ 46 формируют сигнал ДМ, 47 ДМ, 48 ДМJ соответственно. Эти выходы образуют вторую группу выво- устройства, связанную с управляющим входом ключей демодулятора. Силовая часть преобразователя (фиг.З) содержит модулятор 49, вьтол ненный в виде четырех стоек ключей 50-57 (на фиг.З, например, в виде транзистора, шунтированного диодом обратного тока) с управляющими входами Mi, , М.К средним точкам стоек ключей 50-57 подключены одни концы первичных обмоток 58-60 трех однофазных трансформаторов 61-63, вторые концы которых объединены и подключены к средней точке ключей 56 и 57 четвертой стойки. Вторичные обмотки 64-66 подключены к трем однофазным демодуляторам 67-69. Демодуляторы 67-69 могут быть выполнены по любой однофазной схеме (например, однофазной мостовой) на пол

5

5

0

5

0

5

0

S

ностыо управляемых клк1чах переменного тока. На (иг.З демодуляторы 67-69 вьтолнены по схеме с нулевой точкой, на ключах с управляющими входами ДМ, ДМ, - ДМ2, Ц(. Вторичные обмотки 65-66 в этом случае имеют среднюю точку, которая является одним из вьгеодов демодуляторов 67-69 (объединенных в общую точку).Другие вьшоды демодуляторов 67-69 образуют выходные вьшоды 76-78 (А, В, С) преобразователя. Выходы М, М - Mj, Mj первого логического узла 19, М, М первого 1К-триггера 13 связаны через усилительно-развязывающий узел с соответствующми управляющими входами ключей мо- /гулятора 49, а выводы ДМ, ., ДМ - второго основного логического узла 19 - с управляющими входами ключер 70-75 демодуляторов 67-69.

Принцип работы устройства для управления преобразователем поясняется временными диграммами, представленными на фиг.2. Задатчик 1 частоты синхронизирует работу устройства. Импульсы вида и с его выхода поступают на входы делителей 2 и 3 частоты, коэффициенты деления которых определяют как N и N+1. Именно в этом случае на схеме 2И-НЕ 4 сравнения сформирована последовательность импульсов 1)4 (частота следования которых равна 12 где f g частота выходного напряжения преобразователя) , поступающая на вход распреде-i лителя 5 импульсов. Последний при помощи триггеров 6-8 обеспечивает формирование трех последовательностей парафазпых импульсов Q, , Q с частотой 2 fji,,,, сдвинутых между собой на угол /3, а при помощи триггеров 9-11 - трех последовательностей парафазных импульсов Q, Q - Q , Q, имеющих частоту f ,,. и фазовый сдвиг на угол 2ТГ/3.

Делители 2 и 3 частоты выполнены формирующими последовательности узких импульсов (Uj, и). После логического сложения эт1тх импульсов при помощи логического элемента 2 ИЛИ 12, последовательность импульсов U,поступает на вход 1К-триггера 15, Для исключения состояния неоднозначности и тем самым повышения функциональной надежности устройства в целом, на установочный I вход триггера 15 подают последовательность узких импуль5

сов Щ, в результате на выходе триггера 15.будет сформирована последовательность модулированных по длительности импульсов вида U. , поступающая на вход второго логического элемента 2И 16, на второй вход которого поступает последовательность импульсов S с выхода модулятора 14 ширины импульсов. Модулятор 14 обеспечивает в соответствии с сигналом Ug( формирование последовательности импульсов Uf4 скважность которых изменяется от О до 1. Логические узлы 17 - 19 вьшолнены на стандартных микросхемах, обеспечивающих реализацию известных логических операций. Сигналы н выходах некоторых из них представлены на фиг. 2. FIoMepa последовательностей сигналов соответствуют номерам микросхем.

Особенностью работы модулятора 49 является использование общей стойки ключей 56 и 57 для формирования модулированных напряжений 61-63 всех трех фаз преобразователя.На управляющие входы М, М этих ключей подают сигнал Q, Q с выхода триггера 13 , обеспечивающий переключение этих ключей с постоянной частотой. На управляющие входы М,, М - М,, М остальных ключей 50-55 модулятора 49 сигналы управления подают с большей или равной частотой при углах регулирования о О либо сигнал равной частоты и сигнал переменной скважности типа U, .U (типа F,H) (UjT - Ujj на фиг, 2) при (/ э О на соответствующих интервалах проводимости, обусловленных требуемьи фазовым сдвигом управляющих сигналов. Наличие одинаковой частоты коммутаций ключей 50-55 и 56, 57 модулятора 49 позволяет сформировать на обмотках трансформаторов 61-63 переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы (например, на интервале - 12 на фиг.4), Введение регулировочной паузы длительностью oi в сигнал управления и. этими же ключами на интервале проводимости /2 - 511/6, обеспечивает формирование соответствующего сигнала (фиг,4). Отличие частоты коммутации ключей 50-55 от частоты коммутации ключей 56 и 57 позволяет сформировать переменное модулированное напряжение при о О, либо напряжение вида Ufo на интер53826

валах - Г/б и - Tf/6. Такая форма напряжения позволяет получить на вьгходах трех модуляторов, ключи которых переключаются с постоянной частотой, но с изменением порядка чередования фаз через полу- период выходной частоты (U, - .. на фиг.2), фазное напряжение преоб0 разователя вида U или линейное (фиг.4).

Сравнивая число переключений силовых ключей 50-57 и 70-75 преобразователя управляемого от предлагаемо5 го устройства с числом переключений тех же ключей в известном устройстве, можно показать, что в ключах модулятора 49 оно, хотя и увеличивается примерно в 1,5 раза, зато в де0 модуляторах уменьшается в 2 раза. Динамические потери в транзисторных ключах преобразовательных устройств существенно зависят от напряжения коммутации. Обычно преобразователи

5 такого типа для преобразования постоянного напряжения питания 27 В в напряжение порядка 200-220 В, т.е. ключи демодуляторов работают при по вьшенном напряжении, определяющем

0 и больший уровень динамических потерь. Таким образом, хотя число пере- ключейний ключей модулятора и возросло, при указанных соотношениях входного и выходного напряжений общие динамические потери уменьшаются примерно в 1,6 раза, а КПД преобразователя увеличится на 5-8Z.

Предложенный алгоритм регулирования выходного напряжения позволяет

0 также улучшить его качество. Диапа- 30 регулирования 1-0,57. При этом для случая (/ с/„в,цс , когда и. 0,57 Ug,, „ , К г („, 0,31.Для того же значения величины выходного

{ напряжения в известном устройстве величина составляет примерно 1,Г2, т.е. хуже чем в предлагаемом в 3,6 раза.

Предлагаемое устройство для управO ления преобразователем может найти

применение при построении централи- зованных источников питания, когда требуется обеспечить как согласование номинальных уровней напряжений

g питания и нагрузки, так . и стабилизацию вьсходного напряжения при изменении напряжения питания в достаточно широких пределах (±20%) при высоком качестве выходнот о напряжения и энер5

71

гетических показателях преобразователя.

Формула изобретени

Устройство для управления преобразователем постоянного напряжения в регулируемое трехфазное, включающим в себя модулятор в виде четырех стоек ключей с управляющими входами М, М - М, М, подключенных между щинами питания, три однофазных трансформатора, одни Концы первичных обмоток которых подключены соответственно к точкам соединения ключей первых трех стоек, другие их концы объединены и подключены к точке соединения ключей четвертой стойки, и три однофазных демодулятора на ключах переменного тока с управляющими входами ДМ,, , ДМ подключенных к вторичным обмоткам соответствующих трансформаторов, причем одни одноименные выводы демодуляторов объединены, а другие образуют выходные выводы преобразователя, содержащее два делителя частоты, подключенных входами к выходу задатчи- ка частоты, а выходами - к логическому элементу 2И-НЕ, выход последнего связан со счетным входом шестиканал ного распределителя импульсов, выполненного на шести 1К-триггерах с перекрестными связями у одной половины триггеров, причем парафазные выходы Q, Q - Q/, Q. этих триггеров подключены к соответствующим входам двух основных логических узлов, три пары выходов М М - Mj, Mj первого из которых и три пары выходов ДМ,}, ДМ, - ДМ,, ДМ2 второго связаны с управляющими входами ключей модулятора и демодулятора, соответственно, а также первый 1К-три гер с парафазным входом Q, Q,, связанным с управляющими входами ключей четвертой стойки модулятора .так, что М Q, Мц Q, и второ 1К-триггер с выходом Q ., модулятор ширины импульсов, тактовым входом с связанный со счетньм входом первого 1К-триггера, выходом S - с первым входом дополнительного логического узла, включающего в себя логические элементы совпадения, и два логических элемента 2 ИЛИ с выходами F, Н другие входы которого подключены к выходам Q, Q первого 1К-тригге- ра и связаны с выходом Q второго

10

15

20

53828

1К-триггера, связи между выходами S и Q, Q упомянутых модулятора ширины импульсов и первого 1К-триггера и выходом Н определяются логическим выражением Н -ь , причем указанные выходы F, Н и выходы Q, Q-, первого 1К-триггера подключены к оставшимся входам первого и второго основных логических узлов, установочный вход J первого 1К-триггера подключен к выходу упомянутого логического элемента 2И-НЕ, а его счетный вход соединен с выходом второго делителя частоты, отличающ е- е с я тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения и повышения КПД за счет уменьшения числа переключений его ключей в единицу времени, оно снабжено двумя логическими элементами 2ИЛИ и двумя логическими элементами НЕ, вторая половина 1К-триггеров вьш1еупомянутого шестиканального распределителя им25 пульсов вьтолнена с перекрестной связью, причем их счетные входы подключены к соответствующим выходам первой половины 1К-триггеров, счетные входы последних подключены к выходу логического элемента 2И-НЕ непосредственно, связи между вышеупомянутыми логическими элементами,распределителем импульсов, модулятором ширины импульсов, первым и вторым 1К-триггерами, дополнительным логическим узлом и выходами устройства через первый и второй логические узлы, а также выполнение этих логических узлов определяются следующи Q ми логическими выражениями:

F (QJ + S) QT+ (Q + S)

м, ,.QT + +

45+ + QiQjF;

M i QiQjQT QiQiK +

+ + Q,

Mj Q,Q,QT+ QiQ,H +

4- QiQjF + QiQjF;

55 QiQ Q-rQf; ДМ1 Q-rQt + ДМз + Q-Ps

30

35

50

У///

L/

ч

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при построении источников вторичного электропитания как централизованного,так и децентрализованного типа во всех случаях, когда по условиям эксплуатации требуются улучшенные массогабаритные показатели устройства и повьшзенное качество преобразованной электроэнергии с регулируемыми параметрами. Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения и повышение КПД. Устройство обеспеч1гвает управление преобразователем постоянного напряжения Б регулируемое трехфазное. Регулирование напряжения производится методом частичного широтно-импульсного регулирования без присущего ему усложнения известной силовой части преобразователя. Устройство для уп-; равления преобразователем содержит два делителя частоты, шестиканапьный распределитель импульсов, два 1К- триггера, вспомогательный логический узел и два основных логических узла, выходы которых связаны с управляющими входами силовых ключей преобразователя, два элемента 2 ИЛИ и два логических элемента НЕ. 4 ил. § (Л

17

Т1

.J

.l

АП

./7j

i

- -tf/%.

щ

ТтГ