Преобразователь постоянного напряжения в переменное Советский патент 1979 года по МПК H02M7/515 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и предназначено для преобразования постоянного напряжения в переменное с улучшенным гармоническим составом выходного напряжения, в частности для преобразования в переменное напряжение низкой частоты. Изобретение может быть применено в устройствах электропитания различного назначения.

Известны преобразователи постоянного напряжения в переменное 1, 2.

Наиболее близкпм к изобретению но технической сущности является стабилизированный преобразователь с вольтодобавочным устройством на первичной стороне 2.

Этот преобразователь включает в себя мостовой инвертор, подключенный к первичному источнику через вольтодобавочный преобразователь постоянного напряжения с выходом на постоянном токе, и схему управления, содержащую два автогенераторных формирователя импульсов, один из которых подключен к входу мостового инвертора, а второй - к входам параллельных ключей, входящих в состав вольтодобавочного преобразователя с выходом на постоянном токе и присоединенных параллельно по отношению к источнику питания. Кроме того, преобразователь содержит цепь отрицательной обратной связи по выходному напряжению, состоящую из измерительного органа, источника эталонного напряжения, блока сравнения, фазосдвигающего блока, а также фильтры на входе и выходе мостового инвертора.

Недостаток известного преобразователя состоит в том, что у напряжения на выходе мостового инвертора не синусоидальная, а прямоугольная форму. Поэтому фильтр,

установленный в выходе мостового инвертора, имеет повыщенную массу, в особенности при выходных напряжениях низкой частоты. Повышенную массу имеют также реактивные элементы известного преобразователя

(в том числе, трансформатор вольтодобавочного устройства), работающие на низкой частоте (на частоте выходного напряжения), и элементы мостового инверторам вольтодобавочного устройства за счет увеличения расчетной мощности, необходимой для покрытия потерь в выходном фильтре. Цель изобретения - улучшение гармонического состава выходного напряжения и уменьшение массы преобразователя постоянного напряжения в переменное.

Поставленная цель достигается тем, что выход задающего генератора подведен к ВХОД}- генератора тактовых импульсов, к которому подключен распределитель импульсов со счетчиком и дешифратором, один

из выходов счетчика связан через формирователи импульсов с управляющими цепями вентилей выходного инвертора, а другие выходы счетчика через дешифратор - с управляющими цепями ключей и входного инвертора, к которым подключен также выход фазосдвигающего блока цепи обратной связи.

На фиг. 1 показано устройство управления преобразователем постоянного напряжения в переменное; на фиг. 2,а-е-диаграммы, поясняющие принцип работы предложенного устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит генератор 1 тактовых импульсов, присоединенный к распределителю 2 импульсов, имеющему счетчик 3 и дешифратор на логических элементах ИЛИ 4-9, выходы которых присоединены через логические элементы И 10-15 к формирователям 16-21 импульсов для управления ключами 22-27 входного вспомогательного преобразователя 28. При этом преобразователь 28 содержит автотрансформатор 29, к отпайкам которого присоединены ключи 22-25, включенные последовательно по отношению к первичному источнику питания, и ключи 26 и 27, зашуптированные обратными диодами 30 и 31 и присоединенные параллельно по отношению к источнику, а также фильтр 32. Первый выход распределителя 2 импульсов подключен непосредственно к счетному входу формирователя 33 импульсов для управления инвертором 34, выполненным, например, по мостовой схеме, содержащей вентили 35-38, зашунтированные обратным диодом 39. К выходным зажимам инвертора 34 подключенанагрузка 40, а к входным зажимам - измерительный орган 41.

Измерительный орган 41 задающий генератор 42, схема 43 сравнения, фазосдвигающий блок 44 образуют вместе узел обратной связи. При этом выход фазосдвигающего блока 44 подключен к входам логических элементов И 10-15 и синхронизирован от генератора 1 тактовых импульсов, который, свою очередь, синхронизирован от задающего генератора 42. Вспомогательный преобразователь 28 подсоединен к входу инвертора 34. Для определенности будем считать, что ключи 22--27 и вентили 35-38 выполнены на полностью управляемых тиристорах.

Устройство работает следующим образом.

Генераторы 1 тактовых импульсов (фиг. 2,а) вырабатывает импульсы, частота которых выше и кратна частоте выходного напряжения (задающего генератора 42), и они поступают на вход кольцевого счетчика 3 распределителя 2. Каждый импульс генератора 1 продвигает выходной сигнал на один щаг. Первый выходной импульс счетчика поступает на первый выход распределителя 2, а затем на счетный вход формирователя 33 импульсов, переключающих

вентили 35-38 через каждые полпериода выходного напряжения (фиг. 2,а). Второй и последующие выходные импульсы кольцевого счетчика подаются на входы логических элементов ИЛИ 4-9 раснределителя 2, а затем через логические элементы И 10- 15 к входам формирователей 16-21, ключей 22-27 в последовательности 22-23- 24-25-(24, 25) -(24, 25) -(24, 26) -(25,

27) -(22,26) -(23, 27) -(22, 26) -(23, 27) - (22, 26) -(23, 26) -(24, 26) -(25, 27) -(24, 25)-24-25-22-23. На 24-м такте заканчивается полный цикл переключений, распределитель импульсов возвращается в исходное состояние и начинается следующий период работы раснределителя.

Полный цикл работы счетчика соответствует полупериоду выходного напряжения и состоит из 24-х интервалов (фиг. 2,а). На

первом интервале включаются два диагональных тиристора (35 и 36 или 37 и 38) мостового инвертора. На инверторах 1 и 24 ток индуктивной нагрузки замыкается через тиристоры инвертора и диод 39. На этих

интервалах источник питания выключен (фиг. 2,6). Один интервал по времени равен полупериоду работы вспомогательного преобразователя 28. Восходящая ломаная кривая (фиг. 2д, е)

получается при ступенчатом вычитании напряжения UK преобразователя 28 из входного L/n (фиг. 2,6) на интервалах 2-5. Последовательные ключи работают в режиме инвертора, а диоды 30 и 31 - в режиме выпрямителя (параллельные ключи 26 и 27 при этом выключены). На интервалах 6 и 7 последовательные ключи 24 и 25, присоединенные к противофазным отпайкам секции трансформатора 29 с наименьщим числом

витков, включены, а параллельные выключены. Ток через диоды 30 и 31 не протекает. При этом формируется ступень выходного напряжения, амплитуда которой равна амплитуде входного напряжения. На интервалах 8-12 восходящая ломаная кривая получается ступенчатым сложением напряжения UK вспомогательного преобразователя 28 с входным Uji. На этих интервалах параллельные ключи работают в режиме выпрямителя. Нисходящая ломаная кривая формируется на интервалах 13-24 в обратной последовательности. Затем процесс повторяется и на входе мостового инвертора формируется ступенчатое однополярное напряжение в виде выпрямленных двухполупериодных синусоидальных полуволн (фиг. 2,д), оно с помощью мостового инвертора преобразуется в переменное напряжение, но форме близкое к синусоидальному.

Необходимая амплитуда ступени напрял ения на интервалах вычитания и добавки достигается выбором коэффициента трансформации согласующего трансформатора 29, а число ступеней - числом пар отпаек на

вторичной стороне трансформатора. Длительность ступени определяется числом и длительностью прерывистых колебаний напряжения и (фиг. 2,8) на зажимах транс(|юрматора. Для того, чтобы исключить постоянную составляющую намагничивающей силы трансформатора, необходимо выбрать частоту колебаний напряжения вспомогательного преобразователя в целое число раз выше частоты колебаний основного напряжения. Форма выходного напряжения тем лучше, чем больше число ступеней трансформатора.

Напряжение на выходе мостового инвертора с двухтактным нреобразователем на входе имеет число ступеней при п-ступенчатом трансформаторе

,

где р - коэффициент, учитывающий структуру вспомогательного преобразователя, , если вспомогательный преобразователь выполнен по вольтодобавочной или вольтовычитающей схемам, , если этот преобразователь выполнен по вольтореверсивной схеме.

Так, одноступенчатое выходное напряжение прямоугольной формы известного преобразователя по предлагаемому изобретению преобразуется в трехступенчатое при одностуненчатом трансформаторе. Огибающая выходного напряжения с увеличением ступеней может сколь угодно стать близкой к синусоидальной. Кроме этого, по сравнению с известным устройством, в предложенном существенно снижается масса основной части преобразователя. Это достигается тем, что частота колебаний напрял ения промел уточного преобразователя 28 в предложенном устройстве в несколько раз выше частоты основного напряжения, поэтому эта частота может быть выбрана из условия получения минимальной массы трансформатора.

Масса уменьшается также вследствие того, что выходной фильтр в предложенном устройстве полностью исключен, так как удовлетворительное качество гармонического состава в данном случае практически всегда может быть достигнуто увеличением числа ступеней. В исключительных случаях при высоких требованиях к форме выходного напряжения на выходе вспомогательного преобразователя (на входе мостового инвертора), по аналогии с известным преобразователем, может быть установлен фильтр 32 (фиг. 1). Однако и в этом случае суммарная масса преобразователя оказывается меньше, так как выходной фильтр инвертора при этом исключен, в отличие от входного фильтра известного преобразователя, входной фильтр в данном устройстве рассчитан на высокую частоту и имеет меньшую расчетную мощность. Конденсатор фильтра может быть электролитическим, так как включен на стороне постоянного тока. Вследствие же уменьшения реактивной составляюшей тока за счет исключения выходного фильтра понижается расчетная мощность всех силовых элементов на величину, пропорциональную MOHIHOCTH, которая бы потреблялась для покрытия потерь, вызванных реактивными токами фильтра в известном преобразователе.

При наличии фильтра на входе форма выходного напряжения молсет быть улучшена с помощью узла обратной связи, содерл ащего задающий генератор синусоидального напрял ения, с одновременной стабилизацией выходного напрялсения, С этой целью генератор тактовых импульсов синхронизирован от задающего генератора, а фазосдвигающий блок присоединен через логические элементы И 10-15 к входам формирователей 16-21 импульсов. При этом точность воспроизведения синусоиды полностью определяется точностью отработки системой автоматического регулирования возмущения по отклоняемой величине. В этом случае быть упрощена основная часть преобразователя: уменьшено число ступеней трансформатора (вплоть до одной ступени), вспомогательный преобразователь быть выполнен по однотактной схеме. Оптимальное рещение находится исходя из конкретных требований.

На основе предложенной схемы возможна реализация многофазных схем. При использовании предлол енного устройства, в отличие от известного, улучшается гармонический состав выходного напряжения, представляется возможной широкая оптимизация преобразователя по массогабаритным показателям путем выбора оптимальной частоты промел уточного преобразователя и величины входного напряжения, а числа ступеней, их амплитуды и длительности. Это позволяет улучшить гармонический состав выходного напряжения, уменьшить массу и габариты, снизить удельный расход материалов. Предлолсенное устройство особенно эффективно для получения переменного напряжения относительно низких частот.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного нанрялсения в переменное, содерл ащий входной инвертор, промел ;уточный автотрансформатор, к отпайкам обмотки которого подключены аподы управляемых ключей, объединенные катодные которых через LC-фильтр связаны с входом другого инвертора, выходы которого образуют выходные выводы, блок управления, состоящий из задающего генератора, генератора тактовых импульсов, распределителя импульсов, формирователей импульсов, и фазосдвигающий блок цепи обратной связи, отличающийся тем, что, с целью улучшения гармонического состава выходного напрялсения и уменьшения

массы преобразователя, выход задающего генератора подсоединен к вход) генератора тактовых нмпзльсов, к которому подключен распределитель импульсов со счетчиком и дешифратором, причем один из выходов счетчика связан через формирователи импульсов с управляющими цепями вентилей упомянутого второго инвертора, а другие выходы счетчика через дешифратор связаны с управляющими цепями ключей и входлого инвертора, к которым подключен также вьгход фазосдвигающего блока цепи обратной связи.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 282509, кл. Н 02М 7/515, 1969.

2.Ромаш Э. М. Транзисторные преобразователи в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры. М., «Энергия, 1975.

О s 10 IS га О ю 15 20 с

чнтер1алы