Способ формирования квазисинусоидального напряжения из постоянного напряжения Советский патент 1979 года по МПК H02M7/48 

(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КВАЗИСИНУСОИДАЛБНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ИЗ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в система.х электропитания, в электроприводе для получения низкочастотного переменного напряжения квазисинусоидальной формы при питающей сети постоянного тока.

При использовании известных способов получения квазисинусоидального напряжения с промежуточным повышением частоты выходное напряжение в основном имеет вид либо ступенчатой функции 1, 2, либо импульсного напряжения, широтно-модулированного по закону выходного 3 напряжения. В первом случае необходимость получения выходного напряжения высокого качества нз низких и инфранизких частотах приводит к увеличению числа ступеней и, как следствие, числа силовых переключающих элементов,так как фильтрующее действие нагрузки и сглаживающих фильтров на указанных частотах снижается. Кроме того, затруднено регулирование выходного напряжения. Во втором случае наличие на всем 1ериоде выходного напряжения «провалов до нуля приводит к существенному росту

гармонических составляющих, особенно в области высоких частот. Улучшение гармонического состава напряжения в данном случае посредством установки фильтров иногда недопустимо по причине возможного возникновения конденсаторного самовозбуждения при двигательной нагрузке.

Известен также способ, согласно которому несколько по,1ученных из постоянного напряжения высокочастотных напряжений с относительным фазовым сдвигом, изменяемым по заданному закону, суммируют, а затем результирующее напряжение демодулируют. Высокочастотные наиряжения при это.м получают с помощью резонансных инверторов 4 .

Выходное напряжение в этом случае, имея «провалы до нуля на всем своем периоде, обладает теми же недостатками, что и в случае формирования выходного напряжения щиротно-импульсным способом. Кроме того, при аппаратурной реализации указанного способа наличие в инверторах резонансных контуров, рассчитанных на половину мощности в нагрузке, приводит к ухудшению массогабаритных показателей преобразователя. Цель пзобретения - повышение качества выходного напряжения с одновременным улучшением массогабаритных показателей преобразователя при его аппаратурной реализации. Это достигается тем, что часть высокочастотных напряжений формируют синфазно по отношению друг к другу, а каждое из высокочастотных напряжений другой части сдвигают последовательно друг за другом по закону опорного сигнала заданной формы с частотой, равной частоте квазисинусоидального (выходного) напряжения, причем в начале каждого полупериода опорного сигнала высокочастотные напряжения одной части формируют в противофазе по отношению к высокочастотным напряжениям другой части, а сдвиг фазы очередного высокочастотного напряжения производят после достижения фазы предыдуш,его высокочастотного напряжения предельного значения, равного полупериоду этого высокочастотного напряжения. В результате удается повысить качество выходного напряжения за счет уменьшения амплитуды «провалов в нем с одновременным улучшением массогабаритных показателей преобразовате тя при аппаратурной реализации, благодаря исключению из инверторов резонансных контуров. На фиг. 1 представлен преобразователь, структурная схема, иллюстрируюшая заявляемый способ получения низкочастотного переменного напряжения; на фиг. 2 - эпюры напряжений; на фиг. 3 представлен один из возможных вариантов выполнения схемы, входяшей в состав .системы 1 управления и обеспечивающей сдвиг фазы управляющего напряжения инверторной ячейки в соответствии с сигналом опорного напряжения Uon , на фиг. 4 - диаграммы ее работы. Рассмотрим работу преобразователя для одного из наиболее простых случаев. Пусть необходимо получить переменное низкочастотное напряжение, изменяюш.ееся по закону пилообразного напряжения. Опорное напряжение Uon пилообразной формы поступает на один из входов устройства 1 управления, вырабатывающее импульсы управления, которые поступают на блок 2 инверторных ячеек. При опорном напряжении Uon, равном нулю, блок инверторных ячеек вырабатывает два синфазных высокочастотных напряжения; U 2,1; U 2,2 и противофазных напряжения U 2,3, U 2,4 по отношению к и 2,1, и 2,2. Напряжения U 2,1, и 2,2 являются неуправляемыми по фазе, а напряжения U 2,3, U 2,4 - управляемыми. С момента to под действием сигналов управления с блока 1 управления начинает изменяться по закону опорного напряжения фаза высокочастотного напряжения U 2, 3. К моменту времени t она изменяется от 180 до 360° и тем самым исчерпывает свой диапазон регулирования. Поэтому с момента времени tt начинает изменяться фаза напряжения и 2,3, которая на интервале времени оставалась постоянной и равной 180°. Изменение фазы указанного напряжения продолжается до времени iz и также достигает значения 360°. С этого момента времени начинается спад опорного напряжения Uon пилообразной формы и процессы регулирования фаз напряжений U 2,3, U2,4 идут в обратном порядке, т. е. на интервале времени ta-t изменяется от 360 до 180° фаза напряжения U 2, 4,а на интервале t)-t - фаза напряжения U 2,3 в том же диапазоне. В отрицательный полупериод опорного напряжения Uon процессы из.менения фаз протекают аналогично. Напряжения U2,1,U2,2, U 2,3, U 2,4 инверторных ячеек алгебраически суммируются в су.мматоре 3 и на его выходе формируется напряжение U 3. Введение обратной связи с выхода де.модулятора 4 на вход устройства управления позволяет осуществить стабилизацию выходного напряжения. Рассмотрим принцип .действия. На инвертирующий и неинвертирующий входы компаратора 5 поступают соответственно опорное напряжение Uon требуемой формы и пилообразное напряжение Un, синхронизированное с напряжениями Ua, задающего высокочастотного генератора, поступающие также на входы а и б логических схем И-НЕ 6,7. С выхода компаратора 5 напряжение Us, широтно-модулированное по закону опорного напряжения Uor, поступает на другие входы логических схе.м 6, 7. Выходные напряжения схем И-НЕ 6, 7, 8, 9, 10 соответственно обозначены Ue, UT , Us ,Ug, U,o. Напряжения Ug , Uio являются управляющими для инверторной ячейки с выходным напряжением U 2,3. При изменении опорного напряжения Uon на интервале to-ti (фиг. 2, 4) происходит плавное изменение фаз управляющих напряжений Ug, Uio от начальных значений до конечных. При дальнейщем росте Uon и выходе его текущего значения за амплитуду пилообразного напряжения U (момент времени t() диапазон регулирования фаз управляющих напряжений Ug, Uio оказывается исчерпанным и сохраняет свое конечное значение. Схема управления инверторной ячейкой с выходным напряжением U2,4 аналогична. Отличие состоит только в том, что пилообразное напряжение Un,подаваемое на вход компаратора, смещено вверх на величину его аплитуды. Таким образом, опорное напряжение Uon при выходе из зоны регулирования для инверторной ячейки с напряжением и 2,3 попадает в зону регулирования ячейки с напряжением U 2,4. Следует отметить, что система управления обеспечивает однозначную связь между текуш,им значением опорного напряжения Uoi и значениями сдвига фаз высокочастотных напряжений и 2,3, и 2,4. В связи с этим при уменьшении амплитуды опорного напряжения Ij(5n вначале будет умепьп1аться диапазон регулирования фазы напряжения 112,4 (а также временной интервал ti-tj изменения фазы) и при достижении Lоп половины своего первоначального значения, фаза напряжения U 2,4 будет оставаться равной 180° на всем периоде опорного напряжения. При дальнейшем уменьшении амплитуды онорного напряжения, будет уменьшаться диапазон регулирования фаЗЕ:, напряжения и 2,3. Таким образом, изменением амплитуды и оп возможно регулирование выходного напряжения преобразователя от своего максимального значения до нуля. Синфазные высокочастотные напряжения и 2,1, и 2,2 могут быть заменены одним высокочастотным напряжением с той же фазой, но с амплитудой, равной сумме амплитудн1)1Х значений напряжений L 2,3, U 2,4. Однако это приведет к неравномерной загрузке ипверторпых ячеек. Число высокочастотных напряжений управляемых по фазе, возможно увеличивать, что приведет к увеличению числа ступеней в выходном низкочастотном напряжении, и, как следствие, к уменьшению доли «широтн о - и м п у л ь с н о г о напряжения. Таки.м образом, низкочастотное выходное напряжение преобразователя представляет собой ступенчатую функцию с широтно-имнульсной модуляцией на ступенях по закону изменения опорного напряжения. Такая форма выходного напряжения преобразователя обладает меньшим коэффи и ентом гар.моник по сравнению с прототипом, так как амплитуда широтно-импульсного напряжения состанияет только часть выходного напряжения. Кроме того, широтно-импульсная модуляция осушествляется по закону изменения опорного напряжения, что приводит к «сглаживанию ступенчатого напряжения. Работа преобразовататя была рассмотрена при опорном напряжении Uon пилообразной формы. Однако все вышеизложенные выводы и принцип работы сохраняются и для других форм опорного напряжения, например синусоидальной. При этом для получения низкочастотного переменного напряжения квазисинусоилТальной фор.мы достаточно за.менить только опорное напряжение пилообразной формы на синусоидальное. Способ получения низкочастотного переменного напряжения позволяет улучшить форму выходного напряжения за счет устранения «провалов до нуля на большей части его периода. Изменение параметров опорного эталонного напряжения, т. е. его частоты и амплитуды, позволяет осуществить соответствуюшее регулирование параметров выходного напряжения, причем предлагаемый способ позволяет аппроксимировать напряжение любой формы в зависимости от формы эталонного напряжения. Кроме того, данный способ дает возможность повысить массогабаритные показатели при его аппаратурной реализации вследствие отсутствия резонансных контуров в амплитудных модуляторах, которые могут быть выполпены на основе известных инверторных схем, например мостовой, полумостовой, со с)едпей точкой. Формула изобретения Способ формирования квазисинусоидального напряжения из постоянного напряжения путем суммирования нескольких полученных из постоянного напряжения высокочастотных напряженпй с относительным фазовым сдвигом, изменяемым но заданному закону н иоследующей демодуляции результнруюпдего напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выходного напряжения и улучшепия массогабаритных показателей нрп его аппаратурной реализации, одну часть высокочастотных напряжений формируют сипфазно но отнон1ению друг к другу, а каждое из высокочастотны.ч напряжений другой части сдвигают последовательно друг за другом по закону онорного сигнала заданной формы с частотой, равной частоте квазпсинусоидального нанряжения, причем в начале каждого полупериода опорного сигнала высокочастотные напряжения одной части формируют в противофазе по отношению к высокочастотным напряжениям другой части, а сдвиг фазы очередного высокочастотного напряжения производят после достижения фазы предыдущего высокочастотного напряжения предельпого значения, равного нолупериоду этого высокочастотного напряжения. Источники информации, принятые во вннмание при экспертизе 1.Л иловзоров В. П., .усоли}1 Л. К.. Морозов А. С. Стабилизированный иреобразователь .постоянного напряжения в переменное ступенчато-синусоидальное, книга «Современные задачи 1реобразовате;1ьной техники, ч. 4, ИЭД АН УССР. Киев, 1975. 2.Парников С. П., Гаврилов А. Н., Л айоров К. Н. Дискретный инвертор ступенчато-синусоидального нанряжения с промежуточным звеном повышенной частоты , труды Рязанского радиотехнического института, вып. 44, 1973, 3. Тонкаль В. Е., Липковский К. А., Мельничук Л. П. Способы улучшения качестна ЕЗЫХОДНОГО напряжения автономных инверторов, «11ренринт-49, ИЭД АН УССР, Киев, 1972. 4. Тонкаль В. Е., Мельничук Л. П., Новосельцев А. В., Дыхненко Ю. И. Метод биений и построение па его основе тиристорных преобразователей частоты с регулируемыми параметрами синоусидального напряжения, книга «Современные задачи преобразовательной техники, ч. 3. Киев, 1975.

и,

on

Уи

1 Ш1ЯЯШ

am

LTFl .-TFj Tl б 9-1 8 9 r Y

Uf,

on

/н/

Vinra

inruu

Фиг.г

Фuг.ff