Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное ступенчатое Советский патент 1992 года по МПК H02M7/5395 

Изобретение относится к области преобразователей техники и может быть использовано при построении источников вторичного электропитания централизованного типа с низкочастотным выходом повышенной мощности в тех случаях, когда требуется согласование, с гальванической развязкой, уровней входного и выходного напряжений, повышенное качество преобразованной электрической энергии, технологичность и приемлемые массогабаритные показатели вторичного источника.

Известен способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное, при котором формируют четное число одинаковых по амплитуде знакопеременных импульсов прямоугольной формы, задают одинаковый по величине и знаку

фазовый сдвиг для всех импульсов и суммируют их. В соответствии с данным способом на определенных интервалах частоту импульсов увеличивают по сравнению с выходной частотой.

Недостатком данного способа являются ограниченные функциональные возможности из-за невозможности регулирования квазисинусоидального напряжения.

Наиболее близким к данному является способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное ступенчатое, согласно которому из постоянного напряжения формируют четное число гальванически развязанных одинаковых по форме переменных с частотой F напряжений, имеющих форму меандра, последовательно сдвигают эти напряжения относительно

4 СО XI О 00

ел

друг друга на угол у и суммируют их. Угол у задают из условия кратности л /3 этому углу.

Недостатком способа также является ограниченность его функциональных возможностей, связанная с невозможностью регулирования выходного напряжения.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет регулирования выходного напряжения по величине.

Поставленная цель достигается тем, что в способе преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное ступенчатое, при котором из постоянного напряжения формируют четное число L гальванически развязанных одинаковых по амплитуде переменных с частотой F напряжений, последовательно сдвигают их на угол у относительно друг друга и суммируют, причем угол у задают из условия кратности я/3 этому углу, в полуволнах каждого из L указанных напряжений в пределах m регулируемых по длительности интервалов а изменяют с частотой f 3mF полярность этих напряжений на противоположную, причем в первой половине L/2 напряжений частоты F, образующих первую группу, регулируемые интервалы вводят на промежутках

соответственно

л

К-(-у-я)и

4я

К (-- - 2 я), а в каждом из L/2 остальО

ных напряжений частоты F. образующих вторую группу, регулируемые интервалы

2 я, вводят на промежутках

K-() и

5я

К ( я-), где К - номер периода выходJ

ного напряжения, причем отсчет указанных промежутков осуществляют от начала первой полуволны каждого напряжения, а упомянутые интервалы а первой группы напряжений частоты F по отношению к интервалам второй группы напряжений сдви гают на угол я /2 на частоте f.

На фиг. 1 и фиг. За,б представлены временные диаграммы, поясняющие предлагаемый способ для случая: , угол у я /9. m 3; на фиг. 2 - силовая часть преобразователя, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 4 - блок-схема системы управления преобразователем; на фиг. 5 - временные диаграммы, поясняющие алгоритм функционирования преобразователя.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем.

Формируют четное число L гальванически развязанных одинаковых по амплитуде

-

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

переменных с частотой F напряжений, имеющих, например, форму меандра. Последовательно сдвигают их относительно друг друга на угол у , причем угол у задают из условия краткости угла я /3 этому углу у. Для случая L 6 указанные напряжения изображены на фиг. 1 и 3 (Itei-Uae). В полуволнах каждого из L указанных напряжений в пределах m регулируемых по длительности интервалов а. изменяют с частотой f 3mF полярность этих напряжений на противоположную-(в примере m 3). В первой половине L/2 напряжений частоты F, образующих первую группу, регулируемые интервалы вводят на промежутках соответственно К (-т,- - Я) и К (--- - 2 Я ), а в кажоО

дом из остальных L/2 напряжений, образующих вторую группу, регулируемые интервалы вводят на промежутках

К-()и К -(я - где К -номер периода выходного напряжения. Отсчет указанных промежутков осуществляют от начала первой полуволны каждого напряжения, а упомянутые интервалы а первой группы напряжений частоты F по отношению к интервалам а. второй группы напряжений сдвигают на угол я /2 на частоте f. Полученные последовательности знакопеременных импульсов (U21-U26) суммируют в общем контуре, формируя тем самым кривую U2 выходного напряжения квазисинусоидальной формы (фиг. 1 и 3).

Одним из частных вариантов реализации способа может быть преобразователь на фиг. 2. Он выполнен в виде шести объединенных по шинам питания инверторных ячеек 1-6 по схеме с нулевой точкой питания с трансформаторным выходом. Вторичные обмотки 7-12 трансформаторов 13-18 соединены последовательно, образуя контур суммирования выходных напряжений инверторных ячеек, подключенный к выходным клеммам преобразователя.

Система управления (фиг. 4) содержит последовательно связанные между собой задающий генератор 19 с прямым 20 и инверсным 21 выходами и регистр 22 сдвига, имеющий L выходов с информационным 23 и тактовым 24 входами. Кроме того, система управления содержит делитель 25 частоты с коэффициентом деления, равным 9, включенный между прямым выходом 20 задающего генератора 19 и информационным входом 23 регистра 22 сдвига, который тактовым входом подключен к инверсному выходу 21 задающего генератора 19. Выходы

регистра 22 связаны с входами логического блока 27 непосредственно, а прямой выход 20 задающего генератора 19 - через модулятор 26 ширины импульсов. Выходы логического блока 27 связаны с управляющими входами ключей инверторных ячеек.

Алгоритм функционирования преобразователя, обеспечивающий регулирование выходного напряжения по величине, поясняется временной диаграммой на фиг. 5. Используемые при напряжениях индексы отражают принадлежность их соответствующему узлу или точке схемы: 11(зг) - сигнал (напряжение) на прямом выходе 20 задающего генератора 19; и(д)- выходной сигнал делителя 25 частот Upi-U(p6) - выходные сигналы регистра 22;

V; 1 (1) V1 1 (1) сигналы, подаваемые на управляющие входы силовых ключей первой инверторной ячейки 1;

U21-U26- напряжения, формируемые на вторичных обмотках 7-12 трансформаторов 13-18;

U2 - напряжение на выходе преобразователя.

Рассмотрим работу преобразователя на примере формирования напряжения U2 с числом ступеней N 3 (фиг. 5). Задающий генератор 19 формирует на прямом и инверсном выходах парафазные сигналы тактовой частоты. С выхода 20 задающего генератора импульсы U(3r) поступают на вход делителя 25 частоты, с выхода которого импульсы с частотой в 9 раз меньшей тактовой частоты поступают на информационный вход 23 регистра 22 и вход модулятора 26 ширины импульсов. На выходах Р1-Р6 регистра формируют последовательность прямоугольных импульсов U(pi)-U(p6), причем фазовый сдвиг между импульсами составляет у.

Сигналы с выхода регистра 22 сдвига и модуляторы 26 ширины импульсов после соответствующей логической обработки в логическом блоке 27 поступают после предварительного усиления и гальванической развязки на управляющие входы транзисторов инверторных ячеек 1-6 (фиг. 2). Переключение ключей в соответствии с поступающими на их управляющие входы сигналами управления обеспечивает формирование на выходах инверторных ячеек 1-6, а также на первичных и вторичных обмотках 7-12 трансформаторов 13-18 напряжений U21-U26 (фиг. 1. 3, 5). Квазисинусоидальное напряжение 1)2 на выходе преобразователя получают суммированием в выходной цепи из последовательно соединенных вторичных обмоток 7-12 трансформаторов 13-18 напряжений U21-U26.

В полуволнах каждого из U21-U26 напряжений в пределах m регулируемых по длительности интервалов а изменяют с частотой f 3mF полярность этих напряжений на противоположную. В каждом из трех напряжений, образующих первую группу, эти интервалы вводят на промежутках, соответ- л „.- ., а в каждом

ственно,

.

33

из трех остальных напряжений, образующих вторую группу, интервалы вводят на

с промежутках и лк-.

Возможны модификации предлагаемого способа. Например, когда фронт первого из импульсов обратной полярности первой группы напряжений формируют в начале

Птг

промежутка я (фиг. За), а фронт перво j

го импульса обратной полярности второй группы напряжений фиксируют в точке

с 1/6mF от начала промежутка 0-.

В другом случае (фиг. 1) фронт последнего импульса первой группы напряжений фиксируют в точке 1/6mF от конца промежутка

4 п Q я, а фронт последнего импульса

обратной полярности второй группы напряжений фиксируют в конце промежутка

тг 5Я

л 3 .

5 В третьем случае (фиг. 36) фронты первого и последнего импульсов обратной полярности первой группы напряжений фиксируют соответственно в начале и конце упомянутых промежутков, а середину пер0 вого импульса обратной полярности второй группы напряжений фиксируют в точке

1/6mF от начала промежутка 0--.

J

Таким образом, при четном L суммиру 5 емых напряжений, используя двухполярное широтно-импульсное регулирование (ШИР) каждого из напряжений, при соответствующем расположении регулировочных импульсов m в полуволнах каждого напря- 0 жения можно реализовать однополярное ШИР результирующего напряжения U2.

Предложенный способ может быть применен не только при прямоугольной форме сигналов типа меандр, но и при более слож- 5 ной форме сигналов.

Формула изобретения Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное ступенчатое, при котором из постоянного напряжения формируют четное число L гальванически развязанных одинаковых по амплитуде переменных с частотой F напряжений, последовательно сдвигают их на угол у относительно друг друга и суммируют, причем угол у задают из условия кратности угла п /3 этому углу у, отличающий- с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения регулируемости результирующего напряжения по величине, в полуволнах каждого из L указанных напряжений в пределах m регулируемых по длиУельности интервалов а изменяют с частотой f 3mF полярность этих напряжений на противоположную, причем в первой половине L/2 напряжений частоты

F, образующих первую группу, регулируемые интервалы вводят на промежутках соответственно К (-у - я ) и К (Др - 2 п ),

а в каждом из L/2 остальных напряжений частоты F, образующих вторую группу, регулируемые интервалы вводят на промежутках К (0 0 и К (л ---), гдеКномер периода результирующего напряжения, причем отсчет указанных промежутков осуществляют от начала первой полуволны каждого напряжения, а упомянутые интервалы а первой группы напряжений частоты

F по отношению к интервалам а второй группы напряжений сдвигают на угол п II на частоте f.

Фиг 2

Использование: преобразование постоянного напряжения в квазисинусоидальное ступенчатое переменное напряжение для систем вторичного электропитания и электропривода. Сущность изобретения: преобразователь, реализующий предложенный способ, состоит из нескольких ячеек. Формируемые в каждой ячейке прямоугольные выходные напряжения взаимно сдвинуты на одинаковый угол у. Для регулирования значения выходного напряжения в каждом таком напряжении формируют импульсы противоположной полярности повышенной частоты и регулируемой длительности а При этом данные импульсы формируются в одной половине ячеек L/2 на начальных 2/3 каждого полупериода, а в другой половине ячеек L/2 - на конечной 2/3 каждого полупериода. Полученные выходные напряжения ячеек суммируют в общем контуре. 5 ил. (Л С