Способ управления однофазным мостовым инвертором напряжения с широтно-импульсным регулированием Советский патент 1989 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления однофазными мостовыми инверторами напряжения с широтно- импульсным регулированием,

Целью изобретения является повышение надежности путем равномерной загрузки вентилей силовых ключей инвертора по току.

На фиг. 1 приведен возможный вариант структурной схемы устройства,, реализующего способ управления на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие его работу) на фиг. 3-8 - принципиальные схемы задающего генератора, фазосдвигающего устройства, делителя частоты, распределителя импульсов, выходных каскадов и автономного инвертора напряжения соответственно.

Устройство (фиг. 1) содержит задающий генератор (ЗГ), фазосдвигаю- щее устройство (ФСУ), делитель частоты (ДЧ) , распределитель импульсов (РИ), выходные каскады (ВК) и автономный инвертор напряжения (АЙН).

Задающий генератор (фиг.1,3) может быть выполнен по стандартной . схеме преобразователя напряжение - частота. Задающий генератор состоит из последовательно включенных моду3- 1

лятора (М), интегратора (ИнТо), порогового элемента (ПЭ) и дополнительно снабжен инвертором (Инв.) выходного напряжения интегратора. Мо- дулятор М выполнен на операционном усилителе DA 1.1,, резисторах R 1.1- R 1.4, полевом транзисторе V 1.1 и диоде V .2 f интегратор - на операционном усилителе DA 1.2 с конден- сато ром С1 в цепи отрицательной обратной связи и резисторах R 1.5 и R 1.6; пороговый элемент - на one-- рационном усилителе DA 1.3 с симметричными уровнями напряжения насы- щения и резисторах R 1,7- R 1.9, инвертор - на операционном усилителе DA 1„4 и резисторах R 1ЛО - R 1.12

В зависимости от полярности выходного напряжения порогового элемента на вход инвертора поступает напряже

UHUC , напряжение на выходе

ние и р или -Uj . Напряжение на выходе интегратора уменьшается или возрастает линейно во времени. Koi да оно достигает значения

+ R Т.8+Т/9

порогового элемента изменяет полярность на противоположную, и цикл преобразования повторяется в другоц направлении. Частота выходных импульсов определяется выражением

f

- (R 1.8 + R 1.9)

4-R 1.8 -R K5-C,

JLL U.,

где

U

и

Кий

-Ч «J-HWc.

величина входного напряжения задающего генератора,

напряжение насыщения порогового элемента. Задающим генератором формируются симметричные прямоугольные импульсы и 1 (фиг о 2а), треугольное напряжение и, прямой ход которого соот- етствует интервалам времени, когда импульсы UI имеют положитольную полярность, и противофазное треугольное напряжение U, (фиг.26),

Фазозадающее устройство (фиг, 1,4) содержит два пороговых элемента, вьтолненных на операционных усилит лях (или компараторах) DA 2.1, DA 2 . 2 и резисторах R 2.1, ..-, R 2.6, и комбинационную логическую схему, собранную на элементах 2И-НЕ DD 2.1 DD 2 .2 и элементе 2И-2И-ИЛИ-НЕ DD 2.3 (фиг. 4), На инвертирующие входы .пороговых элементов через резисторы R 2,1 и R 2«4 поступают прямое и

противофазное треугольные напряжения и и Oj, с выходов задающего генератора, а на неинвертирующие входы через резисторы R2.2HR2.3 - управляющее напряжение U, (фиг.2б),На интервалах времени, когда управляющее напряжение U превышает треугольные напряжения и„ , Up, на выходах пороговых элементов формируются сигналы логической единицы U11, U1 (фиг. 2в ,г)| поступающие на входы комбинационной схемы, реализующей следующее логическое вьфажение:

Q 5

20

25

30

35

40

45

50

55

и 2 U1 иП+ U1 .U12 где и 2

- симметричные прямоугольные импульсы, фаза которых может изменяться относительно импульсов и 1 в зависимости от величины управляющего напряжения U (фиг.2д)

При изменении управляющего напряжения от -ип„,до +Un „„ , где Un А,с,кс амплитуда треугольного напряжения фаза импульсов U2 относительно импульсов U изменяется от -180. до О эл.град.

Делитель частоты (фиг.1,5) может быть выполнен с использованием D- триггера (фиг. 5) DD 3.1, если, его инверсный выход соединить с D-входом. На синхронизирующий С-вход D-триггера поступают импульсы с выхода задающего генератора U1 (фиг.2а), а с его прямого выхода снимаются симметричные прямоугольные импульсы U3 фиг. (фиг.2е) половинной частоты.

Распределитель импульсов (фиг.1) может .быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 6. Распределитель импульсов состоит из логических элементов 2И-НЕ DD 4.1...DD 4.6, DD 4.9, DD 4.10 и ЗИ-НЕ DD 4,7, DD 4.8 и представляет собой комбинационную схему, реализующие логические функции:

К1 U1 -из + U1-U2 + U2 U3 -, K2 U1-U3+ UbU2+U2-U3-, КЗ К2 -, . К4 КТ,

где Kj

i 1,4 - логические сигналы на выходах распределителя импульсов, определяю-

щие зоны работы силовых ключей инвертора напряжения (фиг. 2ж,з,и,к). Выходные каскады (фиг. 1,7) представляют собой два двухтактных усилителя мощности с трансформаторным выхдом. Каждьш усилитель мощности содерж два ключевых элемента Т5., Т5.2, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами распределителя импульсов, входы - с выводами первичной обмотки трансформатора Тр, средняя точка которой через токоограничивающий резистор R5 подключена к положительной шине источника питания t Е„, а выходы объединены и подключены к нулевой шине источника питания. Одни разноименные выводы вторичных обмоток трансформатора Тр через последовательно включенные диоды V 5.I, V 5.4 соединены с управляющими входами силовых ключей, образующих одно плечо инвертора, а другие - с выходами, тех же силовых ключей.. Диоды V 5.2, V 5,3, предназначены для шунтирования управляющих переходов соответствующих силовых ключей в обратном направлении. Нетрудно заметить, что ключи Т5.1 и Т5.2 управляются противофазными сигналами и одновременная их работа запрещена. При включенном ключе Т5.1 (ключ Т5.2 разомкнут) на первичной обмотке трансформатора Тр,. наводится напряжение, полярность которого является отпирающей для диода V 5.1 и запирающей для диода V 5.4.При зтом на управляющем переходе первого силового ключа формируется положительный импульс напряжения, достаточный для его отпирания; на управляющем переходе четвертого силового ключа импульс напряжения отсутствуе

При включенном ключе Т 5.2 (ключ Т 5.1 разомкнут) полярность напряжения на вторичных обмотках соответствует включенному состоянию диода V 5.4 и запертому - диода V 5.1. В данном случае положительный импульс напряжения формируется на управляюще переходе четвер ого сипового ключа, а на управляющем переходе первого отсутствует. Достоинством приведенной схемы выходных каскадов является применение одного трансформатора одпя управления двумя силовыми ключами инвертора напряжения.

Автономный инвертор напряжения (фиг.1,8) может быть вьтолнен на четырех силовых ключах СК 6.1, i «

1.4, собранных по однофазной мостовой схеме, в одну диагональ которой включен источник питания Е, а в другую - активно-индуктивная нагрузка Rj, Ьц. Каждый силовой ключ со0 держит управляемый вентиль (транзистор, двухоперационный тиристор или тиристор с узлом искусственной коммутации) и встречно-параллельно включенный ему неуправляемый вентиль

5 (диоД). На схеме, приведенной на фиг. 8, управляемыми вентилями являются транзисторы Т 6.L, а неуправляемыми - диоды D 6.i.

При работе инвертора на активно0 индуктивную нагрузку формирование и регулирование выходного напряжения осуществляются изменением длительности нулевых пауз, возникающих в результате проводимости тока нагруз5 ки одним транзистором и одним диодом, принадлежащими разным силовым ключам, подключенным к одной шине источника питания. Короткозамкнутые контуры для тока загрузки могут быть соз0 даны транзисторами и диодами Т 6.1.и D 6.3i Т 6.3 и D 6.1; Т 6.2 и D 6.4; Т 6.4 и D 6.2 соответственно. Длительность нулевой паузы в выходном напряжении инвертора определяется

рвыжением , где f - выходная

частота инвертора, и может изменяться от О до l/2f при изменении управляющего напряжения от U д,,,, до

0 -ипд,с,ксСпособ осуществляется следующим образом.

Импульсы U1 (фиг.2а) с выхода зас дакяцего генератора (фиг.1) поступ- пают на вход фазосдвигающего устройства (фиг.1) и преобразуются в импульсы U2 (фиг.2д), имеющие вый сдвиг относительно импульсов ,

Q определяемый величиной напряжения

управления U (фиг.26). Импульсы

U1 и U2 совместно с импульсами U3 (фиг.2е), снимаемыми,с выхода делителя частоты (фиг. 1) и следующими с половинной частотой импульсов U1,

5

поступают на вход распределителя импульсов (фиг.1), который формирует четыре последовательности импульсов К1, К4 (фиг.2ж,з,и,к), COOTветствзгющие зонам работы силовых клю- iчей инвертора напряжения, которые по- ;Сле усиления по мощности и гальвани- ;ческой развязки в выходных каскадах :(фиг.1) поступают на база - змиттер- ные переходы соответствующих транзис- :торов автономного инвертора напряжения (фиг. 1)

На интервале времени, когда сигна- лы U1, U2 и из одновременно равны логической единице, а ток нагрузки инвертора имеет отрицательное направление, распределитель импульсов выра- батьшает логические сигналы К1 и К2, равные единице, и КЗ, К4 равные нулю При зтом силовые транзисторы Т6.1 и i Т6.2 закрыты, хотя на их база - эмит- 1 Терных переходах имеется отпирающее I напряжение, а ток нагрузки проводят I диоды D 6;1 и D 6.2 (фиг.2о,п).

При изменении направления тока нагрузки диоды D 6.1 и D 6.2 выключают

ся и включаются транзисторы 16.1 и Т6.2 (фиг.2м,н). Таким образом на нагрузке формируется положительная полуволна напряжения.

На интервале времени, когда сигналы U и из равны логической единице, сигналы U2 - логическому нулю, распределитель импульсов формирует импульсы К и КЗ, равные логической единице, и К2, К4, равные логическому нулю. При этом в напряжении на нагруз- ке возникает нулевая пауза, обеспечиваемая Одновременной работой транзистора Т6.1 и диода D6.3(фиг.2м,т).

На интервале времени, когда U1 и U2 равны логическому нулю, а сигналы Ш - логической единице, распределитель импульсов вырабатывает логические сигналы КЗ и К4, равные единице, и К1 и К2, равные нулю. Пока ток нагрузки имеет положительное направление, его проводят диоды D6.3 и D6.4 (фиг.2т,у). При изменении направления тока нагрузки ток начинают проводить транзисторы Тб.З Тб.4 (фиг.2р5с). При этом на нагрузке формируется отрицательная полуволна напряжения .

На интервале времени, когда сигналы Ul равны логическому нулю, а сигналы U2 и иЭ - логической единице, распределитель импульсов вырабатывает сигналы К1 и КЗ, равные логической единице, н К2 и К4, равные нулю В напряжении на нагрузке формируется

5 0

5

0

0

5

9

5

5

нулевая пауза, обеспечиваемая замыканием тока через транзистор Тб.З и диод D6. (фиг.2о,р)

На интервч йпе времени-, когда сигналы U и U2 ра.вны логической единице , а сигналы U3 - логическому нулю, процессы в инверторе аналогичны описанным вьппе при равных логической единице U1, U2 и U3

На интервале времени, когда сигналы U1 равны логической единице, а сигналы U2 и U3 - логическому нулю, распределитель импульсов формирует сигналы К2 и К4, равные логической единице, и сигналы К1 и КЗ, равные логическому нулю. При этом нулевая пауза в. напряжении на нагрузке образуется замыканием тока через транзистор Т6,2 и диод D6.4 (фиг.2н,у).

На интервал времени, когда сигналы U15 U2 и из равны логическому нулю, процессы в инверторе анало- гичны описанным вьше при U1 , 132, равных логическому нулю, а U3 логической единице.

. На 1нте але времени, когда сигналы U1 и из равны логическому нулю, а сигналы U2 - логической единице, распределитель импульсов вы- рабатьгоает сигналы К2 и К4, равные логической единице, и К1 и КЗ, равные логическому нулю. При данном направлении тока нагрузки нулевая пауза в выходном напряжении инвертора обеспечивается транзистором Т6.4 и диодом D6.2 (фиг.2п,с)

Далее описанный алгоритм работы силовой схемы инвертора напряжения повторяется.

Из разверток, приведенных на фиг. 2, видно, что средние значения коллекторных токов силовых транзисторов одинаковы, если усреднение проводить за два периода выходного напряжения инвертора. То же можно сказать и о токовой загрузке силовых диодов. Это достигается за счет того, что в формировании нулевых пауз в выходном напряжении инвертора принимают участие все транзисторы и все диоды силовой схемы при описанной последовательности их работы.

Данньй способ позволяет снизит ь величину токовой нагрузки наиболее загруженных вентилей на величину тока одной нулевой паузы за два периода выходного напряжения инвертора.

Таким образом, способ позволяет снизить статические потери мощности, вьщеляемые в наиболее загруж,енных по току вентилях и обусловленные их сопротивлением в открытом состоянии и прямым падением напряжения, что снижает вероятность их отказа и повышает надежность работы инвертора.

Формула изобретения

Способ управления однофазным мостовым инвертором напряжения с широт- но-импульсным регулированием, заключающийся в том, что формируют нулевые паузы в выходном напряжении инвертора путем замыкания тока нагрузки через вентили силовых ключей инвертора, подключенных к одной шине источника питания и обеспечивающих требуемое направление протекания ток нагрузки, и путем изменения длительности указанных нулевых пауз осуществляют регулирование выходного на- ;. пряжения инвертора, отличающийся тем, что, с -целью повышения надежности путем равномерной загрузки вентилей силовых ключей инвертора по току, осуществляют замыкание ток-а нагрузки на первом интервале нулевой паузы выходного напряжения инвертора через одни управля- . емый и неуправляемый вентили различных силовых ключей инвертора, подключенных к одной шине источника пи- , на втором интервале - через

другие управляемый и неуправляемый вентили тех же ключей, на третьем интервале - через одни управляемый и неуправляемый вентили различных ключей, подключенных к другой шине

источника питания, а на четвертом интервале - через другие управляемый и неуправляемый вентили тех же ключей.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления однофазными мостовыми инверторами напряжения с широтно-импульсным регулированиям. Целью изобретения является повышение надежности за счет равномерной загрузки вентилей силовых ключей инвертора по току. Цель изобретения достигается за счет регулирования выходного напряжения инвертора путем изменения длительности нулевых пауз. При этом используется чередование контуров, по которым замыкается ток нагрузки в нулевых паузах. На первом интервале нулевой паузы ток нагрузки замыкается через одни управляемый и неуправляемый вентили различных силовых ключей инвертора, подключенных к одной шине источника питания, на втором - через другие управляемый и неуправляемый вентили тех же ключей, на третьем - через одни управляемый и неуправляемый вентили различных ключей, подключенных к другой шине источника питания, а на четвертом - через другие управляемый и неуправляемый вентили тех же ключей. 8 ил.

v.

.

Фие.

J

Г

U1

.J

иг

IW

2

ЛU2

S

SSff.l

.B

& Q% d

.Z

Ж-

/с/,

Kf.

O-

мв

w.

JC.

t

.J

.