Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное Советский патент 1992 года по МПК H02M5/257 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной тех-, нике, и может быть использовано для регулирования, напряжения в электрических сетях 0,4-10 кВ, а также в устройствах электропитания.

Целью изобретения является улучшение массогабаритных показателей и уменьшение содержания высших гармоник в питающей сети.

Нафиг.1 представлена схема регулируемого преобразователя переменного напряжения в переменное; на фиг.2 - временные диаграммы токов и напряжений на элементах схемы.

Преобразователь (фиг.1) содержит трансформатор 1 с основной 2 и дополнительной 3 первичными обмотками и вторичной обмоткой 4, основной 5 и дополнительный 6 конденсаторы,первый 7 и второй 8 двухобмоточные дроссели, первую пару встречно-параллельно включенных управляемых вентилей 9 и 10, вторую

пару встречно-параллельно включенных управляемых вентилей 11 и 12, третью пару встречно-параллельно включенных управляемых вентилей 13 и 14, четвертую пару встречно-параллельно включенных управляемых вентилей 15 и 16, выпрямитель 17, фильтр 18, первый 19, второй 20, третий 21 и четвертый 22 управляемые вентили и блок 23 управления.

Первичная основная обмотка 2 трансформатора 1 началом подключена через основной конденсатор 5 к средней точке соединения обмоток первого двухобмоточ- ного дросселя 7. Первичная дополнительная обмотка 3 трансформатора 1 началом подключена через дополнительный конденсатор 6 к средней точке соединения обмоток второго двухобмоточного дросселя 8.

Первые выводы первой и второй пар управляемых вентилей 9-12 объединены и подключены к первому входному выводу преобразователя. Первые выводы третьей и четвертой пар управляемых вентилей 13-16

СО

с

XI

ю

00

ю

00

подключены к второму входному выводу преобразователя и к общей точке соединения концов основной 2 и дополнительной 3 обмоток трансформатора 1.

Первый двухобмоточный дроссель 7 включен между вторыми выводами первой и третьей пар управляемых вентилей. Второй двухобмоточный дроссель 8 включен между вторыми выводами второй и четвертой пар управляемых вентилей.

Первый 19, второй 20, третий 21 и четвертый 22 управляемые вентили включены по схеме мостового инвертора. Выходные выводы этого инвертора объединены с первым и вторым выходными выводами преобрази- вателя, а его входные выводы через последовательно соединенные фильтр 18 и выпрямитель 17 подключены к вторичной обмотке 4 трансформатора 1.

Первая и вторая пары встречно-парал- лельно включенных управляемых вентилей 9,10 и 11, 12 служат для заряда основного 5 и дополнительного 6 конденсаторов от входного напряжения преобразователя через первые обмотки соответственно перво- го 7 и второго 8 двухобмоточных дросселей. При этом управляемые вентили 9 и 12 открываются в положительные полупериоды входного напряжения, а управляемые вентили 10 и 11 - в отрицательные полуперио- ды.

Третья и четвертая пары встречно-параллельно включенных управляемых вентилей 13, 14 и 15, 16 служат для разряда основного 5 и дополнительного 6 конденса- торов через вторые обмотки первого 7 и второго 8 двухобмоточных дросселей соответственно на основную 2 и дополнительную 3 первичные обмотки трансформатора 1. При этом управляемые вентили 13 и 14 открываются поочередно с управляемыми вентилями 9 и 10 соответственно, а управляемые вентили 15 и 16 - соответственно с управляемыми вентилями 11 и 12.

Емкости основного 5 и дополнительно- го 6 конденсаторов и индуктивности обмоток первого 7 и второго 8 двухобмоточных дросселей с учетом индуктивностей первичных обмоток трансформатора и индуктивности сети выбраны так, чтобы заряд и разряд этих конденсаторов осуществлялись по колебательному закону с частотой собственных колебаний, в п раз большей частоты входного напряжения. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы индуктив- ность каждой из обмоток первого двухобмоточного дросселя 7 и индуктивность каждой из обмоток второго двухобмоточного дросселя 8 были связаны с емкостями соответственно основного 5 и

дополнительного 6 кондешениями

4 Q2. -1

U

16Ji fЈn2CiCtf 403-1

16Л2Т П2С20

Соотношение (1) получено с использованием выражений для частоты и добротности Qi колебательного контура:

„ -V 1 tf

шК1 - U Ci 4 L2

(3)

где еда - угловая частота собственных колебаний зарядного и разрядного контуров основного конденсатора;

- индуктивность обмоток первого двухобмоточного дросселя с учетом индуктивности основной первичной обмотки трансформатора и индуктивности сети;

Ci - емкость основного конденсатора;

RI - сопротивление нагрузки трансформатора, приведенное к основной первичной обмотке, включая сопротивление, учитывающее потери.

о,Ж

(4)

Выражая из (4) RI и подставляя его в (3), получаем

(5) находим

4 йЯа Ci Q2

Принимая во внимание, что частота свободных колебаний (частота преобразования) больше частоты входного напряжения (сети) fe в п раз (со KI 2 пfcn), окончательно зависимость индуктивности Li от величины емкости Ci при заданной добротности Qi имеет вид

Li

4Q2-1

16JT2f2n2CiQ2

Выражение (2) получено аналогично выражению (1). Количество зарядов и разрядов дополнительного конденсатора 6 на протяжении полупериодов входного напряжения

может меняться автоматически от 0 до п/2 путем изменения числа импульсов управления вентилями 11, 15 и 12, 16с помощью блока 23 управления в зависимости от уровня выходного наприяжения.

Блок 23 управления (фиг.1) содержит разделительный блок 24. формирователь 25 прямоугольных импульсов, генератор 26 напряжения треугольной формы, датчик 27 напряжения, узел 28 сравнения, первый управляемый генератор 29, второй управляемый генератор 30, распределитель 31 импульсов и десять усилительно-развязывающих устройств 32-41.

Вход разделительного блока 24 соединен с первым и вторым входными выводами преобразователя. Выход этого блока соединен с входом формирователя 25 прямоугольных импульсов, первый выход которого соединен с входом генератора 26 напряжения треугольной формы, с входом первого управляемого генератора 29 и с входом первого усилительно-развязывающего устройства 32. Второй выход формирователя 25 прямоугольных импульсов соединен с входом второго управляемого генератора 30 и с входом второго усилительно-развязывающего устройства 33. Первый и второй выходы первого усилительно-развязывающего устройства 32 соединены с входами управления соответственно первого 19 и четвертого 22 управляемых вентилей мостового инвертора. Первый и второй выходы второго усилительно-развязывающего устройства 33 соедиенны с входами управления соответственно второго 20 и третьего 21 управляемых вентилей мостового инвертора. Вход датчика 27 напряжения соединен с выходными выводами преобразователя. Выход последнего подключен к первому входу узла 28 сравнения, к второму входу которого подключен выход генератора 26 напряжения треугольной формы. Выход узла 28 сравнения подключен к первому входу распределителя 31 импульсов. Первый и второй выходы второго управляемого генератора 30 соединены с входами третьего 34 и четвертого 35 усилительно- развязывающих устройств и с вторым и третьим входами распределителя 31 импульсов. Первый и второй выходы первого управляемого генератора 29 соединены с входами пятого 36 и шестого 37 усилительно-развязывающих устройств и с четвертым и пятым входами распределителя 31 импульсов. Первый, второй, третий и четвертый выходы последнего соединены с входами соответственно седьмого 38, восьмого 39, девятого 40 и десятого 41 усилительно-развязывающих устройств. Выходы

третьего 34, четвертого 35, седьмого 38 и восьмого 39 усилительно-развязывающих устройств подключены к первым входам управления соответственно первой, третьей,

второй и четвертой пар управляемых вентилей 9-16. К вторым входам управления указанных пар управляемых вентилей 9-16 подключены выходы соответственно пятого 36, шестого 37, девятого .40 и десятого 41

0 усилительно-развязывающих устройств.

Разделительный блок 24, который может быть выполнен на оптоэлектронном коммутаторе, осуществляет гальваническую развязку и согласование уровней напря5 жения между первичной сетью и входом формирователя 25 прямоугольных импульсов. Последний формируетпарафазные прямоугольные импульсы длительностью, равной полупериоду входного напряжения.

0 Генератор 26 напряжения треугольной формы преобразует сигнал, поступающий с выхода формирователя 25 прямоугольных импульсов, в сигнал треугольной формы с длительностью, равной полупериоду вход5 ного напряжения. Скорость нарастания и спада выходного напряжения треугольной формы может регулироваться.

Датчик 27 напряжения преобразует выходное переменное напряжение преобразо0 вателя в постоянное. Это постоянное напряжение поступает на узел 28 сравнения, где оно сравнивается по амплитуде с напряжением генератора 26 треугольной формы. В момент равенства напряжений вырабаты5 вается импульс, который выключает распределитель 31 импульсов. Последний служит для распределения прямоугольных импульсов по входам усилительно-развязывающих устройств 38-41.

0 Первый 29 и второй 30 управляемые генераторы на протяжении соответствующего полупериода входного напряжения вырабатывают на своих выходах парафазные прямоугольные импульсы с частотой, в п раз

5 большей частоты входного напряжения. Включение генераторов 29 и 30 происходит при поступлении на их входы сигнала напряжения с соответствующего выхода формирователя 25 прямоугольных импульсов.

0 Усилительно-развязывающие устройства 32-41 формируют управляющие импульсы достаточной мощности и осуществляют гальваническую развязку.

Регулируемый преобразователь пере5 менного напряжения в переменное работает следующим образом.

Пусть параметры Li, Ci, Ri и , C2, R2 выбраны так, что частота преобразования равна 600 Гц, т.е. больше частоты входного напряжения в п 12 раз. При этом уровень

выходного напряжения преобразователя поддерживается таким, что количество зарядов и разрядов дополнительного конденсатора б на протяжении положительного и отрицательного полупериодов входного напряжения равно четырем (фиг.2).

В положительный полупериод напряжения сети в момент времени to (фиг.2а) открываются управляемые вентили 9 и 12 и через первые обмотки первого 7 и второго 8 двух- обмоточных дросселей и через основную 2 и дополнительную 3 первичные обмотки трансформатора 1 начинают заряжаться основной 5 и дополнительный 6 конденсаторы до значений напряжений, пропорциональных прикладываемому в данный момент времени входному напряжению. Уровни напряжений на конденсаторах 5 и б определяются добротностями СИ и Q2 колебательных контуров и в общем случае отличны друг от друга. В момент времени ti токи заряда конденсаторов 5 и 6 спадают до нуля (фиг.2б, в) и управляемые вентили 9 и 12 закрываются. В этот же момент времени ц открываются управляемые вентили 13 и 16 и до момента времени t2 (фиг.2а) через вторые обмотки соответственно первого 7 и второго 8 двух- обмоточных дросселей и через соответственно основную 2 и дополнительную 3 первичные обмотки трансформатора 1 происходит колебательный разряд основного 5 и дополнительного 6 конденсаторов (фиг.2б, в). К моменту времени t2 токи разряда конденсаторов 5 и б спадают до нуля и управляемые вентили 13 и 16 закрываются. Далее описанные процессы заряда и разряда основного конденсатора 5 на протяжении положительного полупериода входного напряжения повторяются еще пять раз до момента времени т.з (фиг.2а, б). Процессы заряда и разряда дополнительного конденсатора б повторяются еще три раза (фиг.2а, в).

В отрицательный полупериод входного напряжения с момента времени тз до момента времени 14(фиг.2а) процессы зарядов и разрядов основного 5 и дополнительного 6 конденсаторов происходят аналогичным образом при открывании управляемых вентилей 10,14 и 11,15 (фиг.2б, в). В результате в первичной основной обмотке 2 трансформатора 1 на протяжении всего периода входного напряжения протекает непрерывный переменный ток с частотой 600 Гц (фиг.26). В первичной дополнительной обмотке 3 трансформатора 1 переменный ток с частотой 600 Гц протекает только на части периода входного напряжения (фиг.2в).

Токи обмоток трансформатора 1 создают соответствующие магнитные потоки, которые, складываясь, образуют результирующий магнитный поток, пропорциональный суммарному намагничивающему току (фиг.2г). Под действием результирующего

магнитного потока во вторичной обмотке 4 трансформатора 1 наводится переменное напряжение, представляющее по форме модулированные по амплитуде колебания (фиг.2д). Это напряжение далее выпрямля0 ется выпрямителем 17 (фиг.2е), который выполняет роль демодулятора. С помощью фильтра 18, являющегося фильтром низких частот, отфильтровываются составляющие напряжения с частотами, кратными nfc. Ha5 пряжение после фильтра 18 по форме представляет последовательность полуволн напряжения с частотой, равной удвоенной частоте входного напряжения (фиг.2ж). Далее это напряжение с помощью мостового

0 инвертора на управляемых вентилях 19-22 преобразуется в переменное напряжение с частотой 1с(фиг.2з), которое является выходным напряжением преобразователя. При этом положительная полуволна напряжения

5 формируется при открывании первого 19 и четвертого 22 управляемых вентилей, а отрицательная - при открывании второго 20 и третьего 21 управляемых вентилей.

Изменяя количество зарядов и разря0 дов дополнительного конденсатора 6, можно менять длительность протекания переменного тока в первичной дополнительной обмотке 3 трансформатора 1, что приводит к изменению величины резуль5 тирующего магнитного поля и, в конечном итоге, к регулированию выходного напряжения.

Входной ток преобразователя представляет по форме последовательность пол0 уволн зарядных токов основного 5 и дополнительного 6 конденсаторов. Колебательный характер заряда конденсаторов и протекание входного тока на протяжении большей части периода входного напряже5 ния позволяют существенно снизить содержание высших гармоник в питающей сети. Устранение бросков зарядного тока и применение более высокой частоты преобразования обеспечивает улучшение массо0 габаритных показателей преобразователя. Формула изобретения Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное, содержащий трансформатор с основ5 ной и дополнительной первичными обмотками и вторичной обмоткой, основной и дополнительный конденсаторы, первый и второй входные выводы, первую и вторую пары встречно-параллел ь- но включенных управляемых вентилей, общая точка соединения первых выводов которых подключена к первому входному выводу, первый и второй выходные выводы, первый, второй, третий и четвертый управляемые вентили, третью и четвертую пары управляемых вентилей и блок управления, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей и уменьшения содержания высших гармоник в питающей сети, введены первый и второй двухобмоточные дроссели, выпрямитель и фильтр, управляемые вентили третьей и четвертой пар управляемых вентилей включены встречно-параллельно, блок управления содержит разделительный блок, формирователь прямоугольных импульсов, генератор напряжения треугольной формы, датчик напряжения, узел сравнения, первый и второй управляемые генераторы, распределитель импульсов и усилительно-развязывающие устройства, при этом первые выводы третьей и четвертой пар управляемых вентилей объединены, вторые выводы первой и второй пар управляемых вентилей через соответственно первый и второй двухобмоточные дроссели соединены с вторыми выводами третьей и четвертой пар управляемых вентилей, средняя точка соединения обмоток первого дросселя через основной конденсатор подключена к началу основной первичной обмотки трансформатора, средняя точка соединения обмоток второго дросселя через вспомогательный конденсатор подключена к началу дополнительной первичной обмотки трансформатора, общая точка соединения концов основной и дополнительной первичных обмоток трансформатора подключена к второму входному выводу и соединена с объединенными первыми выводами третьей и четвертой пар управляемых вентилей, первый, второй, третий и четвертый управляемые вентили включены по схеме мостового инвертора, входные выводы которого через последовательно соединенные фильтр и выпрямитель соединены с вторичной обмоткой трансформатора, входные выводы мостового инвертора объединены с первым и вторым выходными выводами и входом датчика напряжения, вход разделительного блока соединен с первым и вторым входными выводами, выход разделительного блока соединен с входом формирователя прямоугольных импульсов, первый выход которого соединен с входом генератора напряжения треугольной формы, входом первого управляемого генератора и входом первого усилительно-развязывающего устройства, первый и второй выходы которого соединены с входами управления первого и

четвертого управляемых вентилей мостового инвертора соответственно, второй выход формирователя прямоугольных импульсов соединен с входом второго управляемого

генератора и входом второго усилительно- развязывающего устройства, первый и второй выходы которого подключены к входам управления соответственно второго и третьего управляемых вентилей мостового инвертора, к первому и второму входам узла сравнения подключены соответственно выходы датчика напряжения и генератора напряжения треугольной формы, выход узла сравнения подключен, к первому входу распределителя импульсов, первый и второй выходы второго управляемого генератора соединены с вторым и третьим входами распределителя импульсов и входами третьего и четвертого усилительно-развязывающих

устройств, выходы которых подключены к первому входу управления первой и третьей пары управляемых вентилей соответственно, первый и второй выходы первого управляемого генератора соединены с четвертым

и пятым входами распределителя импульсов и входами пятого и шестого усилительно-развязывающих устройств, выходы которых подключены соответственно к вторым входам управления первой и

третьей пар управляемых вентилей, первый и второй выходы распределителя импульсов через седьмое и восьмое усилительно-развязывающие устройства подключены к первым входам управления

второй и четвертой пар управляемых вентилей соответственно, третий и четвертый выходы распределителя импульсов через девятое и десятое усилительно-развязывающие устройства подключены к вторым входам управления второй и четвертой пар управляемых вентилей соответственно, при этом индуктивность обмоток первого двух- обмоточного дросселя с учетом индуктивности основной первичной обмотки

трансформатора и индуктивности сети и индуктивность обмоток второго двухобмогоч- ного дросселя с учетом индуктивности дополнительной первичной обмотки трансформатора и индуктивности сети связаны с

емкостями соответственно основного и вспомогательного конденсаторов соотношениями

Ц 4QZ-1

16лггг|п2С10 4С&-1

1бл2 -п2с2а5

где Li - индуктивность обмоток первого двухобмоточного дросселя с учетом индуктивности основной первичной обмотки трансформатора и индуктивности сети;

L2 - индуктивность обмоток второго двухобмоточного дросселя с учетом индуктивности дополнительной первичной обмотки трансформатора и индуктивности сети;

Ci - емкость основного конденсатора;

С2 - емкость вспомогательного конденсатора;

fc - частота входного напряжения;

п - число, показывающее во сколько раз частота преобразования больше частоты входного напряжения;

Qi и Q2 - добротности соответственно первого и второго колебательных контуров, состоящих из индуктивности и емкости Li и Ci и и С2 соответственно.

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения -улучшение массога- баритных показателей и уменьшение содержания высших гармоник в питающей сети. В преобразователе используется метод промежуточного высокочастотного преобразования с последующим инвертированием выпрямленного высокочастотного напряжения. Благодаря использованию повышенной по сравнению с частотой питающей сети частоты преобразования достигается поставленная цель. 2 ил.

i