Преобразователь с выходным переменным напряжением заданной формы Советский патент 1993 года по МПК H02M7/48 

(/

с

Использование: преобразование многофазного входного переменного напряжения в одно-или трехфазное напряжение другой частоты для систем вторичного электропитания или электропривода. Сущность изобретения: мостовые ячейки с индивидуальными трансформаторами подключены к входным выводам. Выходные напряжения группы ячеек суммируются на входе демодуляторов. Выходы демодуляторов суммируются по току с помощью фильтр-трансформатора, который одновременно фильтрует высшие гармоники. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение при построении источников вторичного электропитания как централизованного, так и децентрализованного типов для преобразования исходного многофазного переменного или постоянного напряжения в напряжение требуемой формы одно или многофазное, особенно в тех случаях, в которых требуется повышенное качество выходного напряжения и тока нагрузки, согласование уровней напряжений питания и потребителя, регулирование в широких пределах или стабилизация выходного напряжения при обеспечении сильноточного выхода и ограничениях на массогабаритные показатели.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет введения наряду с постоянным также переменного питающего напряжения без ухудшения качества выходного напряжения и за счет формирования многофазной системы напряжений на его выходе.

Введение дополнительных мостовых инверторных ячеек и соединение их выходов последовательно в каждой из образованных секций позволяет ввести наряду с постоянным также переменное питающее напряжение без ухудшения качества выходного напряжения преобразователя, что обеспечивает расширение его функциональных возможностей. Введение же дополнительных демодуляторов и дополнительных вторичных обмоток выходных трансформаторов инверторных ячеек, а также дополнительных фильтр- трансформаторов позволяет сформировать многофазную систему напряжений на выходе преобразователя, что обеспечивает также расширение его функциональных возможностей.

оо

к5

О

fc

На фиг. 1 представлена силовая часть схемы преобразователя переменного напряжения в напряжение требуемой формы с тремя каналами высокочастотного преобразования () и трехфазной системой питающего переменного напряжения (п-3) и с однофазным выходом (); на фиг. 2 схема блока управления этого преобразователя; на фиг. 3 -диаграмма, поясняющая процесс формирования управляющего воздействия ни первый демодулятор; на фиг. 4 и 5 - диаграмма, поясняющая процесс формирования выходного напряжения этого преобразователя; на фиг. 6 и 7 представлены силовая чффгь схемы и диаграмма напряжений преобразователя с двумя каналами высокочастотного преобразования () и трехфазной ж| ейстемой питающего напряжения ( щфиг. 8 - выходная часть пре- образоватеяя С трехфазной системой выходных й|(яжений ().

Рассмс)||§ riepebiи пример конкретного выполн|нй |й;рербразователя, когда . . :}. :. : : ;- . .- . . : ПреоВраз ватель содержит мостойые инверторйы|.идейки ИЯ1-ИЯ9 (1-S, фиг.1), вылолнениь||;:1ио мостовой схеме на ключах с ДвухстЬронн г1роводимостью (ключах переменного тока) К1-К4 (10-13) с выходными согласующими трансформаторами Тр1-Тр& (14-22) и подключенные силовыми входами к фазам пит|г9й1его переменного трехфазного () и рЩёния;демодуляторы ДМ1- ДМЗ (,в гполиенные, например, по мостовой { хЩё на ключах переменного тока К5-К0$6-Ј§) и подключенные силовыми входами к последовательно соединенным вторичным обмоткам соответствующих трансформаторов tpl-ТрЭ, и выходной высо- крч|стоткый трехфазный () суммирующий фильтр-трансформатор ФТ(30) для практической реализации параллельного соединения выходов демодуляторов, выполняющий фактически функцию. выходнЪго фильтра. Выход фильтр-трансформатора является вШбдом устройства.; .

Ёлок управления преобразователя включает в себя последовательно связанные между собой задатчик частоты 34 (31, фиг.2) и трехканальный (с тремя фазами на выходе,) распределитель импульсоа РИ (32) с парафазными выходами: прямыми р1, р2, рЗ и инверсными р1,р2, рЗ. Прямые выходы РИ подключены к одним информационным входам логических ячеек соответственно ЛЯ1, ЛЯ2, ЛЯЗ (33-3$) и к информационным входам компараторов соответственно К1, К2, КЗ (36-38) через генераторы пилообразных напряжений соответственно ГПН1, ГПН2, ГПНЗ (39-41);

управляющие входы компараторов объединены и связаны с задатчиком управляющего сигнала через выпрямитель 42. Инверсные выходы РИ подключены ко вторым

информационным входам ЛЯ. Управляющие входы ЛЯ объединены и подключены к задатчику управляющего сигнала через преобразователь формы ПФ (43) с парафэзным выходом F . Выходы компараторов К1, К2,

0 КЗ подключены к управляющим входам логических ячеек соответственно Я1, Я2, ЯЗ (44-46). Информационные входы Я1, Я2.ЯЗ подключена к парафазным выходам ЛЯ1, прямым л1.л2,лЗ и инверсным л 1,

5 л, лЗ соответственно. Выходы ячеек Я1-ЯЗ являются выходами образованного таким образом логического узла ЛУ1 (47) и связаны с управляющими входами соответствующих ключей демодуляторов ДМ. Блок

0 управления включает в себя еще три () таких же логических узла ЛУ2, ЛУЗ, ЛУ4 (), выходы которых сёязаны с управ ляющими входами соответствующих ключей инверторных ячеек ИЯ, а входы подключены

5 к фазам питающего напряжения А,В,С соответственно.

Задатчик частоты 31, распределитель импульсоа 32 и генераторы пилообразных напряжений 39-41 являются общим для

0 всех логических узлов (ЛУ1-ЛУ4). Внутренняя структура логических ячеек ЛЯ и Я может быть различной. Конкретный вариант их схемотехнической реализации зависит oir типа и номенклатуры используемых логиче5 ских элементов. Так, например, ЛЯ сйдер- жит два логических элемента И 51,52 и по одному логическому элементу ИЛИ 53 и НЕ 54, а Я - по два элемента И 55,56 и НЕ 57,58 и один элемент ИЛИ 59.

0 В качестве второго примера, более простого, рассмотрим преобразователь, у которого п-З, а пН2.

Силовая часть такого преобразователя , включает в себя только шесть (т п - 6) мос5 товых инверторных ячеек: ИЯ1-ИЯ6 (1-6, фиг. 6) с выходными согласующими транс- Форматорами Тр1-Тр6 (14-19); только два () демодулятора: ДМ 1, ДМ2 (23, 24) и выходной высокочастотный двухобмоточ0 ный суммирующий фильтр-трансформатор ФТ (60 фиг.б). Выход ФТ является выходом устройства.

Блок управления включает в себя также четыре (ги-р-4) логических узла ЛУ1-ЛУ4, но

5 упрощенных, с двумя () каналами формирования управляющих сигналов.

В качестве примера преобразователя с многофазной системой выходных напряжений, рассмотрим вариант при m«n ip-s3.

.Силовая часть такого преобразователя включает в себя девять (т п 9) мостовых инверторных ячеек ИЯ1-ИЯ9 (1-9, фиг.1) с выходными трансформаторами (14-22, фиг. 1 и 8), имеющими по три () вторичные обмотки; девять (т -р - 9) демодуляторов ДМ1-ДМ9 (23-25, 61-66, фиг. 8) и выходные трехфазные () фильтр- трансформаторы ФТ1-ФТЗ (30, 67, 68). Выходы ФТ, соединенные на фиг. 8 в звезду (возможны и другие варианты: например, в треугольник или раздельные вовсе), являются выходом устройства.

Блок управления включает в себя шесть () логических узлов: три ЛУ управления инверторными ячейками () и три ЛУ управления демодуляторами (), каждый с тремя () каналами формирования управляющих сигналов.

Устройство () работает следующим образом.

: Генераторы пилообразных напряжений ГПН1-ГПНЗ (39-41), синхронизируемые распределителем импульсов РИ (32) с выходными сигналами р1 и р1 (фиг.З), р2, р2 и рЗ, рЗ и задатчиком частоты 34 (31), вырабатывают опорные напряжения г1-гЗ пилообразной формы (фиг.З) со взаимным фазовым сдвигом 2 я/3 (в общем случае 2 л/m которые сравниваются на компараторах К1-КЗ (36-38) с модулем управляющего сигнала Uy, так что на выходе компараторов формируются сигналы к1 (фиг.З), к2, кЗ, Управляющие сигналы ключей, например, ДМ1 формируются логической ячейкой Я1 (фиг.2) по следующему алгоритму (фиг.З):

к1 + лТ-кТ, к7 л1,

к6вл1 к1-ьлТ-кТ, лТ,

где сигналы л1, лТ (а также л2, л2 и лЗ, лЗ) формируются логической ячейкой ЛЯ1 (ЛЯ2 и ЛЯЗ) по следующему алгоритму:

-л1 р1

+ pi-F,

где в свою очередь: F и F - выходные сигналы (фиг.З) преобразователя формы ПФ (43), реализующего операцию индикации полярности управляющего сигнала Uy.

Такое управление ключами моста ДМ1 соответствует эквивалентному модулирующему воздействию ф 1д (фиг.З) на силовой сигнал (входное напряжение) моста. Аналогично формируются логическим узлом ЛУ1 (47) эквивалентные модулирующие воздействия 2д и р Зд на демодуляторы ДМ2 и ДМЗ и логическими узлами ЛУ2-ЛУ4 (48-50) эквивалентные модулирующие воздействия на инверторные ячейки ИЯ1-ИЯ9, 5 только управляются ЛУ2-ЛУ4 фазами питающего напряжения Ua, 1)ь, Uc (фиг.4).

При таком управлении на выходах инверторных ячеек (на вторичных обмотках трансформаторов (ИЯ1-ИЯЗ (Тр1-ТрЗ) фор0 мируются высокочастотные напряжения соответственно и(1)вч, и(2)вч, (фиг.4) промодулированные фазами питающего напряжения, которые затем суммируются сое- динением вторичных обмоток Тр1-ТрЗ

5 последовательно друг с другом с образованием высокочастотного уже немодулиро- ванного напряжения U вч. Напряжения U вч и и3вч получаются аналогично. Всех их, имеющих взаимный фазовый сдвиг 2 лУЗ (в об0 щем случае 2лУт), подают на силовые входы демодуляторов соответственно ДМ 1-ДМЗ. На выходах демодуляторов ДМ 1-ДМЗ формируются напряжения соответственно (Jr (фиг. 4,5), U2®, (фиг.5), содержащие в

5 своем составе кроме основной (полезной) составляющей, повторяющей по форме управляющий сигнал Uy, еще и ряд высокочастотных гармоник, основные из которых образуют трехфазную () систему. Эти

0 напряжения с выходов ДМ подают на обмотки трехфазного суммирующего фильтр- трансформатора ФТ (30) (через нагрузку преобразователя). По основной составляющей (синфазной) ФТ работает в режиме ко5 роткого замыкания (его обмотки, оказываются включенными фактически параллельно, что эквивалентно короткому замыканию трехфазного или, в общем случае, m-фазного трансформатора), и основная со0 ставляющая без искажений попадает на выход преобразователя (правда вместе с другими синфазными гармониками). По отношению к основным высокочастотным гармоникам обмотки ФТ включены по обычной

5 схеме звезда, и ФТ, задерживая на себе все высокочастотные гармоники, образующие трехфазные системы (в общем случае, m-фазные), не пропускает их на выход преобразователя. На выходе преобразовате0 ля формируется напряжение улучшенного гармонического состава Ua (фиг.5), идентичное по форме суммарному выходному напряжению демодуляторов ДМ1-ДМЗ и отличающееся от последнего лишь умень5 шенной в три раза (в m раз) амплитудой. К обмоткам ФТ оказываются приложенными напряжения высокой частоты, поэтому масса и габариты ФТ будут незначительными.

Устройство (, ) (фиг. 6) работает аналогичным образом, отличие состоит лишь в том, что опорных напряжений только два ():r1 и г2 также пилообразной формы, но со взаимным фазовым сдви- гом я, которые сравниваются также на двух компараторах К1 и К2 с модулем управляющего сигнала Uy с формированием на своем выходе сигналов к1 и к2. Высокочастотных немодулированных напряжений образуется тоже два: U вч и U вч со взаимным фазовым сдвигом лг/2, которые подают на силовые входы двух демодуляторов ДМ1 и ДМ2, На выходах ДМ1 и ДМ2 формируются напряжения соответственно Uir (фиг. 4,7) и U2® (фиг.7), содержащие в своем составе кроме основной составляющей еще ряд высокочастотных гармоник, основные из которых являются взаимно противофазными. Напряженнее выхода ДМ 1 подают на одну обмотку суммирующего фильтр-трансформатора ФТ(60)(через нагрузку преобразователя), а напряжение с выхода ДМ2 - на другую обмотку, причем в противофазе по отношению к первой обмотке ФТ. По основ- ной составляющей (синфазной) ФТ работает в режиме короткого замыкания (его обмотки оказываются включенными встречно-параллельно), и основная составляющая без искажений попадает на выход преобра- зоаателя. По отношению к основным высокочастотным гармоникам обмотки ФТ оказываются включенными параллельно, что эквивалентно одной обмотке, и ФТ, задерживая на себе все высокочастотные гар- моники, находящиеся в противофазе, не пропускает их на выход преобразователя. На выходе преобразователя формируется напряжение U2 (фиг. 7).

Преобразователь с многофазной сйс- темой выходных напряжений (m-n-p-3) работает аналогично, только выходные напряжения демодуляторов суммируются С помощью трех () фийьтр-трансформато- ров ФТ1-ФТЗ (фиг.8) с образованием трех фаз А, В, G (и нулевой фазы) на выходе.

Преобразователи фиг. 1, 6, 8 могут питаться и от постоянного напряжения. Для этого достаточно клеммы А,В,С на входе преобразователя объединить (и в схеме уп- равления тоже), при этом полученные схемы не будут критичны к порядку подключения знаков постоянного напряжения, то ли + подавать на объединенную клемму ABC, a - - к клемме 0, то ли наоборот.

Введение дополнительных мостовых ин- верторных ячеек и соединение их выходов последовательно в каждой из образованных секций выгодно отличает предлагаемый преобразователь от указанного прототипа, так как это позволяет ввести наряду с постоянным также переменное питающее напряжение без ухудшения качества выходного напряжения преобразователя. Кроме этого, введение дополнительных демодуляторов и дополнительных вторичных обмоток выходных трансформаторов инверторных ячеек, а также дополнительных фильтр-трансформаторов позволяет сформировать многофазную систему напряжений на выходе преобразователя. Все это и обеспечивает расширение функциональных возможностей преобразователя, выделяя его на фоне прототипа.

К достоинствам описанного преобразователя следует отнести также то, что схема не чувствительна к частоте питающего напряжения и частоте управляющего сигнала и может управляться даже постоянным по знаку сигналом и даже постоянным (напри-мер, эталонным) напряжением, выполняя таким образом функции идеального выпрямителя (без нелинейных искажений выходного напряжения, обычно вызываемых входным переменным напряжением). Предложенная схема преобразователя позволяет и просто реализовать дискретное (наряду с непрерывным в известных пределах) регулирование выходного напряжения в широких пределах (в m раз), для чего достаточно лишь предусмотреть переключение суммирования выходов демодуляторов параллельно с помощью фильтр-трансформаторов на последовательное по известной схеме суммирования в общем контуре.

Дополнительные пояснения к блок-схеме системы управления на фиг.2..Как это вытекает из описания и из временных диаграмм на фиг. 3 - фиг. 5, задатчик частоты 31 и распределитель импульсов 32 (фиг.2) следует выполнять общими для всех четырех логических узлов 47-50.

Формула изобретения

подключен, к входному выводу соответствующей фазы преобразователя, число демодуляторов выбрано равным тр, а число т-обмоточных суммирующих фильтр- трансформаторов равным р, выход каждо- го из этих фильтр-трансформаторов соединен с выходным выводом соответствующей фазы преобразователя, каждая из обмоток т-обмоточного суммирующего фильтр-трансформатора соединена с выхо- дом соответствующего из m демодуляторов, к входу каждого из которых подключена цепочка из последовательно соединенных вторичных обмоток индивидуальных выходных трансформаторов мостовых ячеек, под- ключенных входом к входным выводам различных фаз преобразователя, а блок управления выполнен формирующим широт- но-модулирующие импульсы управления ключами инверторов и демодуляторов. :.-.-;. ; 2. Преобразователь по п.1, отл и ч а ю- щ и и с я тем, что блок управления содержит п+р одинаковых логических узлов, в каждом из которых последовательно соединены задатчик частоты и гп-канальный рас- предеяитеяь импульсов с пзрафэзными выходами, подключенными через генерато:; ,: - . . .

9 Т%

ры пилообразных напряжений к информационным входам m компараторов, управляющие входы которых объединены и подключены через выпрямитель к управляющему/входу логического узла, а выходы подключены к управляющему входу m первых логических ячеек, информационные входы которых соединены с выходами соответствующих m вторых логических ячеек, управляющими входами подключенными через преобразователь формы к управляющему входу логического узла, а информационными входами - к соответствующим выходам m-канального распределителя импульсов, причем выходы первых логических ячеек соединены с выходами логического узла, управляющие входы р логических узлов соединены с соответствующей фазой р-фазного задатчика управляющего напряжения, а выходы этих узлов -с цепями управления соответствующих демодуляторов, а управляющие входы оставшихся г логических узлов, соединены с входными выводами соответствующих фаз преобразователя, а выходы этих узлов - с цепями управления соответствующих мостовых ячеек инверторов.

гл

(Pus, J.

tlV

СШ

lay

fl Pifi

Ш

TUUD

. фиг. S

рщ. г

Фиг. 6

.& -