Способ преобразования переменного тока в переменный Советский патент 1988 года по МПК H02M5/257 

х

tssoL

фик/

Изобретение относится к электро- технинео

Цель изобретения повьшение качества выходного напряжения при обеспечении быстродействия и минимума , потерь

На фиг с 1 прив едена принципиальная схема силовой части однофазного варианта; на фиг 2 - блок-схема системы управления; на фиг 3 - принципиальная схема силовой части многофазного варианта; на фиг,, 4 - временные диаграммыо

Способ преобразования переменного тока в переменный осуществляют слеу ниим образом о

Из переменного тока источника питания в результате периодического подключения нагруз1си к источнику питания и реактивному накапливающему элементу (дросселю) формируют две мпульсные последовательности с им- ульсами непрямоугольной формы, прием начало формирования второй импульсной последовательности задерживают относительно первой на интервал искретиза.циис, Переменное напряжение сточника питания трансформируют в бапее низкое напряжение и затем усиивают двумя усилитачями с различны- ш: коэффиидентами усиления и создают два задающих .синусоидальных напряже- ния различной амплитудЫд причем синусоида большей амплитуды используется для управления велт-гчиной тока в нагрузке, а синусоида меньшей амплитуды, составлягацей 6-19% от амплитуды большей синусоидь используется для периодического подключения нагруз ки к источнику переменного тока и реактивному накапливающему элементуо Пер вое переклю тение нагрузки производят в момент начала второй импульсной последовательности, а последующие переключения - в момент равенства спадаюшдх токов импульсных последовательностей синусоидальному сигналу меньшей а шлитуды. На нагрузке в каждом интервале дискретизации суммируют возрастаюш 1Й участок одной импульсной последовательности с пада- участком другой импульсной последовательности токов. Дифференцируют ток нагрузки и синусоидальный сигнал большей амплитуды и на каждом интервале дискретизации сравнивают первую производную синусоиды с большей амплитудой и первую производную

тока нагрузки. Сигнал рассогласования между значениями первых производных тока нагрузки и синусоиды с боль- шей амплитудой используют для регулирования тока через нагрузку по. синусоидальному закону путем управления реактивным сопротивлением индуктивных формирующих элементов, наприд мер подмагничиванием дросселя , на нарастающих участках экспонент токовых последовательностей. На конечном интервале дискретизации с целью получения нулевого значения тока нагруз5 ки сравнивают первую производную тока нагрузки с дополнительным опорным сигналом и в момент их равенства обеспечивают создание и суммирование на нагрузке спадающих участков токо0 вых последовательностей в

Однофазное устройство для осуществления способа преобразования переменного тока в переменный (фиг.1) содержит в силовой части четьрехпле5 чный мост из четырех тиристорных ключей на встречно-параллельно включенных тиристорах l-jSo К первой диагонали моста подключены выводы источника питания переменного тока, к второй диагонали моста подключена цепочка из последовательно соединенных управляемых дросселей 9 и 10, К общей точке соединения тиристорных ключей, образованных встречно-параллельно включенными тиристорами 5 и.7, 6 и8 и первого вьгеода источника питания переменного тока включена нагрузка 11,

Последовательно в цепи нагрузки 11 и управляемых дросселей 9 и 10 включены измерители 12-14 тока, В качестве измерителей 12-14 могут быть применены трансформаторы тока с устройством для измерения прерывистых токов, содержащих постоянную составляющую,,

Система .управления однофазным преобразователем (фиг о 2) содержит трансформатор 15, понижающий напряжение источника питания переменного тока, выход которого подключен к двух- полупериодному выпрямителю 16 и од- нопериодным выпрямителям 17 и 18, Выход двухполупериодного выпрямителя 16 подключен к усилителям 19 и 20 с различными коэффициентами усиления,

5 Выход усилителя 20 с бопьшим коэффициентом усиления подключен к дифференцирующему блоку 21, выход которого подключен к первому входу компа0

5

0

5

0

3141

ратора 22,, к второму входу которого через дифференцирующий блок 23 подключен выход измерителя 12 тока на- грузки о Ждущий мультивибратор 24 подключен к выходу двухпопупериодного выпрямителя 16„ Выход компаратора 22 через ключи 25 и 26 подключен к управляющим входам соответствующих управляемых дросселей 9 и 10 Выход усилителя 19 с меньшим коэффициентом усиления подключен к первому входу компаратора 27„ Выход компаратора 27 подключен к прямым входам триггеров 28 и 29 и инверсному входу триггера 30 с логикой ИЛИ на входах. Выход усилит.еля 19 с меньшим коэффициентом усиления соединен с первым входом компаратора 31 Выход компаратора 31 соединен с инверсными входами триг геров 28 и 29 -и прямым входом триггера ЗОо Выход дифференцирукяцего блока 23 связан с первым входом компаратора 32, на второй вход которого подано опорное напряжение, определя- кяцее длительность конечной стадии формирования заданной формы тока в нагрузке Выход компаратора 32 подключен к инверсным входам триггеров 28 и ЗОо Выход ждущего мультивибратора 24 подключен к прямым входам триггеров- 28 и 29 и через ждущий мультивибратор 33 к инверсным входам триггеров 28 и 29 и прямому входу триггера 30

Прямой выход триггера 29 подключен к управлягацему входу ключа 25, а ин версный выход - к. управляющему входу ключа. 26 о Выход однополупериодного вьптрямителя 18 соединен с входом усилителя 34 о Выход одноползшериод ного выпрямителя 17 соединен с входом усилителя 35о Выход триггера 28 соединен с первыми входами логических элементов 36-39. Выход триггера 30 соединен с первыми входами логических элементов 40-43, Вькод усилителя 34 оединен с вторыми входами логических элементов 36, 39, 40 и 43. Вькод усиителя 35 соединен с вторыми входами огических элементов 37, 38, 41 и 42. Выход логического элемента 36 соединен с входами ждущего мультивибратоа 44, а выход логического элемента 40 - с входом ждущего мультивибратоа 45,

Выход логического элемента 37 соединен с входом ждущего мультивибраора 46, а выход логического элемен141

та 41 - с входом ждущего мультивибратора 47 Выход логического эпемен- .. та 38 соединен с вxoдo ждущего мультивибратора 48, а выход, логического элемента 42 - с входом ждущего уль- тивибратора 49. Выход логического элемента 39 соединен с входом ждущего мультивибратора 50, а выход логиo ческого элемента 43 - с входом ждущего мультивибратора 51 „ Вьосод ждущего мультивибратора соединен с входом усилителя 52 мощности, выход ждущего мультивибратора 45 с входом

5 усилителя 53 , выход жд тдего мультивибратора 46 - с входом усилителя 54 мощности, выход ждущего мультивибратора 47 с входом усилителя 55 мощности, выход ждущего мультивиб0 ратора 48 - с входом усилителя 56 мощности, выход ждущего мультивибратора 49 - с входом усилителя 57 мощности, выход здушего мультивибратора 50 - с входом усилителя 58 мощности, а

5 выход ждущего мультивибратора 51 - с входом усилителя 59 мощности. Выход усилителя 52 мощности подключен к первичной обмотке импульсного трансформатора 60, выход усилителя 53 мощ0 нести - к первичной обмотке импульсного трансф орматора 61, выход усилителя 54 мощности - к первнчной обмотке иг-птульсногс трансформатора 62, выход усилителя 55 мощности - к первичд ной обмотке импульсного трансформатора 63, выход усилителя 56 мощности - к перви ной обмотке импульсного трансформатора 64, выход усилителя 57 мощности к первичной обмотке импульс0 него трансформатора 65, выход усилителя 58 мощности - к первичной обмотке импульсного трансформатора 66, а выход усилителя 59 мощности к первичной обмотке импульсного трансформа5 тора 67о Первые и вторые вторичные обмотки импульсных трансформаторов 60 и 61 соединены с зттравляющим и главным вxoдa и 68 и 69 соответственно. Третья вторичная обмотка

Q импульсного трансформатора 60 соединена с управляющим входом тиристора 7 силовой части устройства. Вькоды ключей 68 и 69 объединены и соединены с управляющим входом тиристора 3 си- ловой части устройства о Первые и вторые вторичные обмотки импульсных трансформаторов 62 и 63 соединены с управляющим и главным входами ключей 70 и 71 соответственно. Третья

5 -14

вторичная обмотка импульсного трансформатора 62 соединена с управляющим входом тиристора 5 силовой части устройства Выходы ключей 70 и-71 объединены с управляющим входом тиристора 1 силовой части устройства о Пер™ вые и вторые вторичные обмотки импульсных .трансформаторов 64 и 65 соединены с управляющим и главным вхо- даг-ш ключей 72 и 73 соответственное Третья вторичная обмотка импульсного трансформатора 65 соединена с управляющим входом тиристора 6 силовой части устройства Выходы ключей 72 и 73 объединены и соединены с управляющим входом тиристора 2 силовой части устройства Первые и вторые вторичные обмотки импульсных трансформаторов 66 и 67 соединены с управ лякшщм и главным входами ключей 74 и 75 соответственно Третья вторич нак обмотка импульсного трансформатора 67 соединена с управляющим входом тиpvlcтopa 8 силовой части устройства Выходы ганочей 74 и 75 объединены с управляюц5-1М входом тиристора 4 силовой части устройства Усилители 76 и 77 мощности включены между ключами 25 и 26 и входами соответствующих управляемых дросселей 9 и tO,

Сигнал с выхода измерителя 14 через двухполупериодньй вьшрямитель 78 подан на второй вход компаратора 31, а сигнап с выхода измерителя 13 через двухполупериодный выпрямитель

79на второй вход компаратора 27 Сигнап с вьсхода измерителя 12 тока через двухполупериодный выпрямитель

80поступает на вход дифференцирующего блока 23 о

В ьшогофазовом устройстве, реали предлагаемый способ (фиг.З) вторыми выходными вьгоодами для каж- дои фазы являются выходные выводы двух смежных фаз, поэтому для щунти- рования нагрузки управляемыми дросселями в каждом плече моста используется по две пары тиристорных ключей о В остальном конструкдая каждой фазы многофазового варианта повторяет однофазный

Устройство, например5 фазы А работает следующим образомс

Фазное напряжение источника питания переменного ИФ тока понижается трансформатором 15 и поступает на вхо двухполупериодных вьшрямителей 17 и 18„ Напряжение с выхода двухполупе

5

0

5

0

5

0

5

0

5

16

риодного- выпрям11теля 16 поступает на два усилителя 19 и 20, а также на ждущий мультивибратор 24 контроля перехода через ноль синусоидальной функции фазового напряжения источника питания переменного тока. Коэффициент усиления усилителя 19 меньше коэффициента усиления усилителя 20, в результате чего на выходе усилителей 19 и 20 создаются напряжения и одинаковой формы, но различной амплитуды (фиг, 4), Кроме того, управляющее напряжение U,, подаваемое на второй вход усилителя 20, позволяет изменять его коэффициент усиления и амплитуду напряжения целью управления величиной тока и напряжения на нагрузкео При переходе через ноль напряжения источника питания переменного тока положительным перепадом синусоидального напряжения сети с выхода двухполупериодного выпрямителя 16 запускается ждущий мультивибратор 24, генерирующий импульс на запуск триггеров 28 и 29 с раздельными входами и расширителями ИЛИ на . входахо Выходное однополупериодное напряжение однополупериодных выпрямителей 17 и 18 поступает на входы усилителей 34 и 35, работающих в режиме ограничения сигналов, поэтому на выходе этих усилителей формируются из синусоидального входного напряжения импульсы прямоугольной формы постоянной амплитуцыс, Выходной сигнал триггера 28 (фиг. 4) поступает на. первые входы логических элементов 36-39 При положительном полупериоде ,фазного напряжения источника питания переменного тока выходной сигна т усилителя 35 поступает на вторые входы логических элементов 37, 38, 41 и 42 о Наличие сигналов на обоих входах логических элементов 37 и 38 приводит к появлению сигналов на из выходах Выходными сигна- лами логических элементов 37 и.38 запускаются ждущие мультивибраторы 46 и 48 соответственно. Выходные сигналы мультивибраторов 46 и 48 усиливаются усилителями 54 и 56 мощности, нагруженными на первичные обмотки импульсных трансформаторов 62 и 64 Импульсы положительной полярности с вторичных обмоток импульсного трансформатора 62 поступают на управляющий и главный входы ключа 70 и непосредственно на управлянщие

входы тиристоров 5 (Uf, фиг 4), На управляющий вход ти ристора 1 по- ложительньм импульс поступает через открьшшийся ключ 70 (, фиг о 4) Импульс положительной п олярности с выхода ключа 70 обеспечивает включение тиристора 1, положительный импул с третьей и четвертой вторичных обмоток импульсного трансформатора 62 обеспечивает включение тиристоров 5 в силовой части устройства Импульсы отрицательной полярности с вторичных обмоток импульсного трансформатора 6 постзшают на управляющий и главный входы ключа 72, Импульсы отрицательной полярности с выхода ключа 72, поступающие на управляющий вход тиристора 2 (Uj . фиг с, 4), предназначены для запира ния тиристора. 2 и не могут вызвать его открытия Сигнал с первого выхода триггера 29 поступает на управляющий вход ключа ( ФиГо4) 25, переводя его во включенное состояние Под действием положительного импульса на управляющем входе тиристора 1 он переходит во включенное состояние и по цепи: фаза А источника переменного тока, тиристор 1, управляемый дроссель 9, измеритель 13 тока, нагрузка фазы с(, нагрузка фаз Ь и с , включенные в данный момент времени элементы силовой части фазы fc , фазы В источника питания начинает протекать ток

Сигнал, пропорциональный току нагрузки ij, и до момента t , ЛС (фиг о 4), где At - время задержки ждущего мультивибратора 33, равньй току 1 управляемого дросселя 9, с преобразователя 12 тока поступает через вьптря итель 80 на вход диффе- ренцирукицего устройства 23 , выход которого соединен с первым входом компаратора 22 В компараторе 22 сигнал, пропорциональный первой производной тока нагрузки, сравнивается с первой производной задающего сигнала с выхода усилителя 20, прошедшего операцию дифференцирования в дифференцирующем устройстве 21„ Выходной сигнал компаратора 22 ( фиг о 4), следящий за равенством производных тока нагрузки iн и задающего синусоидального сигнала большей амплитуды и„, через включенньй ключ 25 поступает на усилитель 76 мощности, который управляет реактивным сопротивлением управляемого дросселя 9,

5 0 5 о

о

5

5

0

5

обеспечивая таким образом синусоидальную форму тока нагрузки н участке О - t )фиг„ 4)о

Одновременно передним фронтом выходного импульса ждущего мультивибратора 24 (U,,, фиг, 4) запускается ждущий мультивибратор 33 (U , фиГо4) создакщий задержку времени /it, и в момент t (фиго 4) обеспечивающий запуск триггера 30 с расширителем РШИ на входе. Выходной сигнал триггера 30 (и, , фиг о 4) постзшает на первые входы логических элементов 40-43,

Так как на вторых входах логических элементов 4t и 42 уже имеется сигнал, поступивший с выхода о.днополупе- риодного выпрямителя 17, на вьЕ:одах логических элементов 41 и 42 также появляется сигнапс, Выходнымт сигналами логических элементов 41 и 42 за- пускаются ждущие мультивибраторы 47 и 49 соответственно. Выходные сигналы ждущих м шьтивибраторов 46 и 48 усиливаются усилителям11 55 и 57 мощности, нагруженными на первичные обмотки импульсных трансформаторов 63 и 65 о Импульсы отрицательной полярности с вторичных обмоток импульсного трансформатора 63 поступают на управ- лягаций и главный входы ключа 71. Ключ 71 открьшается, и импульс отрицательной полярности с его выхода поступает на управляющий вход тиристора 1, вызывая его закрьп-ие. Импульсы положительной полярности с вторичных обмоток импульсного трансформатора 65 поступают на управляющий и главньй входы ключа 73 и непосредственно на управляющие входы тиристоров 6 (U/ j, фиг. 4) силовой части устройства На управляющий вход тиристора 2 положительный импульс поступает ч ерез открывшийся ключ 73. Импульс положительной Полярности с выхода ключа 73 обеспечивает включение тиристора 2j положительный и myльc с третьей и четвертой вторргчньк обмоток импульсного трансформатора 65 обеспечивает включение тиристора 6. Одновременно с переключением триггера 30 выходным импульсом ждущего мультивибратора 33 возвращается в исходное состояние триггеры 28 и 29. Выходными сигналами триггера 29 отключается ключ 25 и включается ключ 26 (Uj, фиг. 4), сигнал управления реактивным сопротив-. лением упраапяемых дросселей прекращается на входе усилителя 76 мощноети и появляется на входе усилителя 77 мощности - начинается процесс управления индуктивностью управляемого дросселя 10 в цепи тока i , После отключения тиристора 1 отрицательным импульсом с выхода ключа 71 ток i управляемого дроселя 9 начинает падать и протекает уже через нагрузку 11 (фазы с( ) , тиристорн 6 и нагрузки фаз Ь и с в многофазной схемео Одновременно в результате включения тиристора 2 положительным импульсом с выхода ключа 73 начинает возрастать ток ig уиравляемог.о дросселя 10 Процесс одновременного спада тока i и возрастание тока i контролируется выходным сигналом компаратора 22 через ключ 26 и усилитель 77 мощности таким образом, что изменение тока нагрузки i подчиняется синусоидальному закону изменения переменного напряжения источника питания„ В компараторе 27 уменьшающийся ток i, , поступивший на его вход через двух- полупериодный выпрямитель 79 сравни- вается с преобразуемым синусоидальным сигналом и В момент t

меньшего уровня. ,, равенства указанных сигналов сигнал с выхода компаратора 27 (и, фиг о 4) переключает триггеры 28 и 30, а также триггер 29, обеспечивая повторное включение тиристора 1 отключение тиристора 2, включение

ключа 25 и отключение ключа 26о В си- „ времени,за который ток в нагрузке спа-

ловои части устройства в момент t включаются тиристоры 5 и ток i. начидает до нуля Наступление момента t

нает падать, а ток i , возрастать, при чем процесс возрастания тока i контконтролируется величиной и знаком первой производной тока нагрузкио С указанной целью выходной сигнал с

ролируется сигналом с выхода компара- о дифференцирующего блока 23 подается

тора 22 через включенный ключ 25 и на компаратор 32, где сравнивается

усилитель 76 мощности таким образом,

что и на участке (фиго 4) ток

нагрузки изменяется по синусоидальнос некоторой опорной величиной напряжения и

on 5

равного 90-95% максимального выходного напряжения дифференци- 46 рующего блока 23, контролирующего скорость изменения тока нагрузки о

му закону о В компараторе 31 уменьшающийся ток ij, сравнивается с преобразуемым синусои,цальным сигналом U меньшего уровня, поступакицим на вход компаратора 27 после усилителя 19 о Б момент tj равенства указанных сигналов компаратор 31 (Uj , фиго4) переключает триггеры 28 и 29, а также триггер 30 в состояние, обратное моменту времени t, и аналогично момен

одновременно начинает возрастать ток ij, контролируемый сигналом компаратора 22 через включенный ключ 26 и усилитель 77 мощности таким образом, что и на участке нагрузки изменяется по синусоидальному закону о Далее5 для четных и нечетных моментов времени процессы в устройстве повторяются о t

Аналогично положительному полупе- риоду напряжения источника питания происходит процесс управления током и при отрицательном полупериоде При этом в силовой части устройства работают тиристоры 3, 7 и 4j .8„ В схеме управления преобразователем включается в работу дополнительно однополупериодный выпрямитель 18, логические элементы 36, 39, ДО и 43, ждущие мультивибраторы 44, 45, 50 и 51, усилители 52, 53, 58 и 59 мощности, импульсные трансформаторы 60, 61, 66 и 67,

ключи 68, 69, 74 и 75.

Q

Для возможности получения нулевого значения тока нагрузки в конце каждого полупериода на последнем интерва- 30 ле цосле момента t g в некоторый момент tg очередность переключения тиристоров 1, 2 или 3, 4 нарушается та- к им образом, что оба они остаются вы-. кцюченными на некоторьй промежуток

дает до нуля Наступление момента t

с некоторой опорной величиной напряжения и

on 5

равного 90-95% максимального выходного напряжения дифференци- рующего блока 23, контролирующего скорость изменения тока нагрузки о

При равенстве входных сигналов компаратора 32 его выходной сигнал (Uj, фиг о 4) переключает триггеры 28 и 30 в положение, обеспечивагацее отключение тиристоров 1, 2 или 3, 4, независимо от команд с компаратора 27 или 31 на их включение. Для изменения ам

Изобретение относится к электротехнике о Цель изобретения - повьше- ние качества выходного напряжения i при обеспечении быстродействия и минимума потерь Напряжение на нагрузке 1 1 форм1 уется сумм}гроваш ем двух последовательностей импульсов, изме- няюЕ(ихся по экспоненте о Бозрастакяций фронт первой прследовательностн импульсов формируется при включешет тиристорных ключей 3, 1, спадающий фронт первой последовательности импульсов формируется при включении тиристорных ключей 8, -б,, Вторая последовательность импульсов форшфует- ся при включении тиристорных.ключей 2, 4 и 5, За счет суммировагшя на нагрузке поочередно возрастакяце- го и спадающего фронтов импульсов каждой из последовательностей дости гается поставленная цель 4 ил.

ту t, обеспечивает включение тиристо-gg плитуды синусоидального тока нагруз- ра 2,f отклонение тиристора 1, отклю-ки з равляющим напряжением на входе

чение ключа 25 и включение ключа 26 усилителя 20 изменяется его коэффи-

В силовой части устройства включаютсяциент усиления, а следовательно, и

тиристоры 6 и-ток ii начинает падать,величина эталонного напряжения

Формулаизобретения

Способ преобразования переменного тока в переменный, основанный на формировании на нагрузке в течение положительного и отрицательного полупериодов напряжения источника питания импульсной последовательности токов путем периодического подключе- ния нагрузки к источнику питания через дроссель, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выходного напряжения при обеспечении быстродействия и минимума потерь,

формируют две идентичных последовательности, возрастающих и спадающих по экспоненте импульсов тока, причем начало формирования второй последовательности задерживают относительно . первой последовательности на период переключения нагрузки и на нагрузке в интервалах между переключениями суммируют возрастающий участок одной последовательности со спадающим участ ком другой последовательности, кроме

того, формируют из напряжения источ- ьика питания две задающие синус-онды с различными a s:шитyдaми, срав1швают в течение каждого периода дискретизации первую производную синусоиды с большей амплитудой и первую производ ную текущего значения тока нагрузки, полученньм сигналом рассогласования корректируют форму тока через нагрузку, управляя реактивным сопротивлением дросселя на иозрасгающем участке одной из экспонент, сравнивают синусоиду меньшей амплитуды с сигналом, пропорциональным спадающему току со- ответсвуклцей последовательности, в момент равенства упомянутых сигналов меняют характер изменения .токов в каждой из последовательностей на противоположный, на конечном интервале переключения на нагрузке суммир тот спадающие участки тока обеих последовательностей, момент начала конечного интервала определяют, сравнивая первую производную тока нагрузки и опорного сигнала.

Фие. 2

фиг.З

ПЩД П О-ОЛ П П П П CLDLCl

ПП П П П П П П П П

П г

П

JL

JL

П П П П П П П П П П П П П П

пл П П П П плитал

П П П П П П П П П П П ГШ

ппппп ппппппл

П

I

LJLJLJLJLJ п.. п.. п.. п.JLJLJL

innnrir и ц ц ц ПГ ц ц и

%I п п п п п. п п п п п п п п LJ

% ЦцДцПцП uVffV-g V

fl fl и п J л П п п п п л

фмг