1
Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для построения вторичных источников питания устройств электроавтоматики и электроприводов переменного тока малой мощности (до единиц кВА), работающих как на переменную, так и на постоянную нагрузку, в тех случаях, когда требуется согласование уровней напряжений питающей сети и потребителя, а также повыщенное качество преобразованной электрической энергии и приемлемые массо-габаритные показатели источника.
Регулирование частоты и напряжения нагрузки, а также повышение качества энергии на выходе статических преобразователей реализуется путем применения различных видов модуляций. Наибольшее распространение получили широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и амплитудно-импульсная модуляция (АИМ). Эти методы формирования напряжения основаны или на изменении (модуляции) длительности отдельных импульсов равной амплитуды (ШИМ), или на изменении (модуляции) амплитуды и длительности ступеней (АИМ).
Перспективным способом улучшения гармонического состава выходного напряжения инверторов является АИМ. АИМ для обеспечения одинакового с ШИМ качества преобразованной электрической энергии реализует с меньшими коммутационными потерями за счет меньшего числа тактовых интервалов и имеет более простую систему управления.
Инверторы с АИМ по схемному признаку можно разделить на три класса. К первому классу относятся инверторы, в которых ступенчатое напряжение формируется путем
поочередного подключения с помощью ключей обмоток трансформатора, работающего на выходной частоте 1.
Ко второму классу относятся инверторы, формирующие ступенчатое напряжение за
счет использования нескольких источников питания с различными уровнями напряжения питания 2.
К третьему классу относятся схемы инверторов с промежуточным звеном высокой
частоты 3J.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является преобразователь, относящийся к третьему классу. Этот преобразователь содержит инвертор
с высокочастотным согласующим трансформатором, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом и отпайками, расположенными симметрично относительно среднего вывода, коммутатор на управляемых ключах, поочередно переключающий
обмотки на вторичной стороне трансформатора, и блок управления, включающий в себя задающий генератор, фазосдвигающий узел и многоканальный распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора. При использовании этого преобразователя можно повысить частоту напряжения на первичной обмотке трансформатора и, следовательно, улучщить его массо-габаритные показатели. Рабочая частота трансформатора в известном рещении превыщает частоту напряжения в нагрузке в 2/V раз (где Л - число ступеней на четверти периода выходного напряжения преобразователя), причем, увеличивая число вторичных обмоток с ключами, получить напряжение с любым числом ступеней и, следовательно, получить сколь угодно малый коэффициент гармоник и улучщить при этом массо-габаритные показатели трансформатора. К недостаткам таких преобразователей следует отнести сложность его силовой части (число ключей коммутатора равно 2N).
Целью изобретения является упрощение известного преобразователя при получении выходного напряжения с малым коэффициентом гармоник.
Для достижения поставленной цели коммутатор выполнен на Л управляемых ключах, а многоканальный распределитель им-, пульсов выполнен (2N-1)-канальным, каждый его i-ый канал из числа (N-1) совместно с {2N-t)-biM каналом связан с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логический элемент ИЛИ, а число витков i-ro выходного вывода трансформатора с числом витков его N-ro выходного вывода связано соотнощением
.Wi . ()u - - sm - --
w
2(2N-i)
N
где /V - число ступеней на четверти периода выходного напряжения преобразователя;
f 1, 2, ..., N - номер выходного вывода трансформатора при отсчете от среднего вывода его вторичной обмотки попеременно в одну и другую от него сторону.
На фиг. 1 дана принципиальная схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 1,6 - блок управления этим преобразователем; на фиг. 2 - временное диаграммы, ноясняющие принцип работы преобразователя; на фиг. 3 - зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения преобразователя от числа ступеней (Л) на четверти его периода.
Предлагаемый преобразователь содержит промежуточное высокочастотное инвертирующее звено, выполненное в виде мостового инвертора 1 на ключах 2-5. Инвертор 1 нагружен на первичную обмотку 6 согласующего трансформатора 7. Вторичная обмотка 8 трансформатора выполнена со средним выводом 9 и отпайками 10, 11, образующими вместе с двумя концами 12, 13 этой обмотки выходные выводы трансформатора. Выходные выводы трансформатора 7 соединены с силовыми концами ключей 14-17 коммутатора 18. Выходные выводы преобразователя образованы средним выводом 9 вторичной обмотки 8 трансформатора и точкой объединения других силовых концов управляемых ключей коммутатора 18.
Блок управления 19 содержит задающий генератор 20, подключенный к фазосдвигающему устройству 21 и многоканальному распределителю импульсов 22. Распределитель 22 выполнен (2N-1)-канальным, причем каждый его i-ый канал из числа (.V-1) совместно с (2N-г)-ым каналом связан с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логические элементы ИЛИ. Управляющие входы ключей 2-5 высокочастотного инвертора 1 также связаны с соответствующими выводами блока управления через буферные усилители 23.
Принцип формирования ступенчатого выходного напряжения с нерегулируемыми и регулируемыми по щирине ступенями поясняется соответственно на фиг. 2, а и 2, б, где ТИ - тактовые имнульсы па выходе генератора импульсов f/a-f/s - сигналы управления, подаваемые на управляющие входы ключей 2-5 инвертора 1; Ue - форма напряжения на первичной обмотке 6 трансформатора 7; бвых - форма выходного напряжения преобразователя; (Уи-Un - снгпалы управления, подаваемые на управляющие входы ключей 14-17 коммутатора 18.
При подключении питания к блоку управления и силовой части преобразователя замыкаются ключи 2, 5 инвертора 1. На первичной обмотке 6 согласующего в тсокочастотного трансформатора 7 формируется положительный импульс напряжения UQ. Полярность обмоток трансформатора такова, что при замыкании ключа 16 коммутатора 18 на нагрузке формируется нервая ступень положительной полуволны выходного напряжения. При замыкании ключей 3, 4 инвертора 1, на обмотке 6 формируется отрицательный имиульс напряжения UB. Замыканием ключа 15 формируют вторую ступень выходного напряжения. Дальнейщее формирование ступеней происходит аналогично в соответствии с временными диаграммами, представленными на фиг. 2.
Регулирование длительности импульсов выходного напряжения может осуществляться в каждом из силовых звеньев преобразователя: в инверторе, в трансформаторе или в коммутаторе. С точки зрения унрощения системы управления, рациональней регулировать напряжение в инверторе.
5
Простейший алгоритм управления ключами инвертора, обеспечивающий регулирование длительности импульсов выходного напряжения, поясняется временньши диаграммами на фиг. 2,6, где Us, U - прямой и инверсный сигналы управления (эти сигналы с выхода задающего генератора 20 подаются на входы ключей 5, 4 высокочастотного инвертора 1); U, U - сигналы управления, сдвинутые на величину t , относительно сигналов t/5, 4, формируемые на выходе фазосдвигающего устройства 21 и подаваемые на входы ключей 2, 3.
АИМ может осуществляться, во-первых, с разным числом ступеней N на четверти периода выходного напряжения преобразователя и, во-вторых, с четным или нечетным числом тактовых интервалов п на полупериоде выходного напряжения.
В известном рещении, принятом за прототип, ступенчатое напряжение формируется с четным п. В результате количество силовых ключей коммутатора равно удвоенному чнслу ступеней на четверти периода выходного напряжения.
В предлагаемом преобразователе выходное напряжение формируется с нечетным числом п. В этом случае преобразователь упрощается за счет уменьшения числа силовых элементов коммутатора (.V управляемых ключей вместо 2N у прототипа).
При равном числе ступеней, нанример ., известное решение имеет несколько лучший коэффициент гармоник (/(,117) по сравнению с предлагаемым преобразователем (,124), но при этом его коммутатор содержит вдвое большее число силовых ключей. При рассмотрении вариантов с более близким соотношением числа ключей становится очевидным, что предлагаемый преобразователь при меньшем числе ключей коммутатора обеспечивает лучшее качество преобразованной электрической энергии (нри ,) и числе ключей у прототипа, равном 6, имеем ,15. В то же время в предлагаемом преобразователе при и числе ключей, равном 4, коэффициент гармоник равен 0,124).
Предложенный преобразователь может применяться во всех тех случаях, где требуется преобразование постоянного напряжения одного уровня в однофазное напряжение другого уровня заданной фиксированной частоты.
М-фазный преобразователь постоянного напряжения может быть построен по модульному принципу из т вышеописанных преобразователей или для упрошения - путем подключения к выходным выводам общего согласующего трансформатора т коммутаторов с последующей синхронизацией их работы.
Целесообразное число ступеней N выбирается в каждом случае применения в за6
висимости от треоования к искажению выходного напряжения.
Зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения от числа ступеней, позволяющая осуществить выбор числа Л, представлена на фиг. 3.
Формула изобретения
10
Преобразователь постоянного напряжения в N-ступенчатое переменное с промежуточным звеном высокой частоты, содержащий однофазный инвертор, выход которого
соединен с первичной обмоткой согласующего высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом н с отпайками, образующими вместе с двумя концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, числоы кратные числу ступеней переменного напряжения, коммутатор на управляемых ключах, числом равных числу выходных выводов трансформатора, и блок управления, включающий в себя задающий генератор, фазосдвигающий узел и многоканальный распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора, выходные выводы преобразователя
образованы средним выводом вторичной обмотки трансформатора и точкой объединения одних силовых концов управляемых ключей коммутатора, а другие силовые концы этих ключей соединены с выходными
выводами трансформатора, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции при получении выходного напряжения с малым коэффициентом гармоник, вторичная обмотка содержит Л выходных
выводов, а распределитель импульсов выполнен (2N-1)-канальным, причем каждый его t-ый канал из числа () совместно с (2N-г)-ым каналом связан с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логический элемент ИЛИ, а число Wj витков г-го выходного вывода трансформатора связано с числом lJ7,r витков его N-ro выходного вывода соотнощением
Wt . (2/-1) sinW
N-2(2Л-1)
где Л - число ступеней напряжения на четверти периода выходного напряжения преобразователя;
i 1, 2, ..., N - номер выходного вывода трансформатора при отсчете от среднего вывода его вторичной обмотки попеременно в одну и другую от него сторону.
Источники информации,
принятые во внимание при экспертизе
1.Авторское свидетельство СССР № 280629, кл. Н 02М 7/48, 1968.
2.Авторское сзндетельство СССР Н 414693, кл. Н 02М 5/48, 1971. 3. А. П. Мельничук и др. Об уменьшении весо-габаритных показателей ВИП.-Сб. Повышение эффективности устройств преобразевательной техники. Ч. 4, Киев, «Наукова думка, 1972, с. 127-136. 
+
Ч V Щ
фаг. 1
7 j 2
f)
