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 повышенное качество преобразованной электрической энергии и приемлемые массо-габаритные показатели источника.
Регулирование частоты и напряжения, а также повышение качества энергии на выходе статических преобразователей реализуется в автономных инверторах напрял ения путем различных видов модуляций. Наибольшее распространение получили широтно-имиульсная 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).
Перспективиым сиособом улучшения гармонического состава выходного напряжения инверторов является АИМ. АИМ. для
обеспечения одинакового с ШИМ качества преобразованной электрической энергии реализуется с меньшими коммутационными нотерями за счет меньшего числа тактовых
5 интервалов и реализуется более простой системой управления.
Известны инверторы с АИМ, обесиечиваюшие формирование выходного напряжения с малыми искажениями {, 2, 3.
10 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
15 ключей отпаек обмоток трансформатора, работающего на выходной частоте 4.
Ко второму классу относятся инверторы, формирующие ступенчатое напряжение за счет использования нескольких источников
20 питания с различными уровнями напряжения пптания 5.
Общим недостатком схем инверторов, относящихся к первому классу, является наличие трансформатора, работающего на
25 выходной частоте, и имеющих поэтому неприемлемые массо-габаритные показатели. Недостатком второго класса инверторов является их сложность, необходимость иметь несколько гальванически развязан30 ных источников питания или наличие выходных трансформаторов, по крайней мере, один из которых работает на выходной частоте.
В значительной стенени свободны от этих недостатков инверторы с промежуточным звеном высокой частоты, относящиеся к третьему классу 6.
Инверторы носледнего класса содержат однофазный инвертор, согласующий высокочастотный трансформатор с секционированными обмотками и коммутатор, ключи которого поочередно подключают секции обмоток.
Наиболее близким ио существу технического решения является преобразователь, относящийся к третьему классу . Он содержит однофазный инвертор высокой частоты, выход которого подключен к первичной обмотке согласующего высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом и отпайками, расноложенными симметрично относительно среднего вывода, и образующими вместе с двумя концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, коммутатор на N управляемых ключах, поочередно переключающих отпайки на вторичной стороне трансформатора, и блок управления. Блок управления включает в себя задающий генератор 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. В этом случае можно повысить частоту напряжения на первичной обмотке трансформатора и, следовательно, улучшить его массо-габаритные показатели. Рабочая частота трансформатора в известном решении нревыщает частоту напряжения в нагрузке в Л раз (JV/2 - число ступеней на четверти периода выходного напряжения преобразователя).
Для достижения высокого качества напряжения на выходе преобразователя приходится нерационально увеличивать число управляемых ключей коммутатора, что усложняет решение и является недостатком такого типа преобразователей.
Цель изобретения - уменьшение коэффициента гармоник выходного напряжения преобразователя без увеличения числа ключей коммутатора.
Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе постоянного напряжения в квазисинусоидальное переменное, содержащем однофазный инвертор высокой частоты, выход которого подключен к первичной обмотке согласующего высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена со средним
выводом и отпайками, образующими вместе с двумя концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, коммутатор на N управляемых ключах и блок управления, включающий в себя задающий генератор и многоканальный распределитель имнульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора, причем выходные выводы преобразователя образованы средним выводом вторичной обмотки трансформатора и точкой объединения одних силовых концов унравляемых ключей коммутатора, а другие силовые концы этих ключей соединены с выходными выводами трансформатора, распределитель импульсов выполнен 2Л/ -канальным, его выходные каналы связаны с управляющими входами ключей однофазного инвертора высокой частоты через узел формирования управляющих сигналов, обеспечивающий подачу управляющих импульсов на ключи этого инвертора для формирования его выходного напряжения и нодачу управляющих импульсов на смежные ключи инвертора, т. е. на ключи, подсоединенные к общей точке цепи питания, для формирования пауз в выходном нанряжении, каждый выходной i-ый канал распределителя из числа (N-1) совместно с ()-ым каналом связан также с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логический элемент ИЛИ, причем управляющие входы ключа подсоединены к отпайке с минимальным числом витков, связаны через логический элемент ИЛИ не только с 1-ым и (2N-1)-ым, но и с каналом распределителя, а число витков f-ro выходного вывода трансформатора с числом витков его выходного вывода связано соотношением
sinW
2N
N
где N - число ключей коммутатора, равное числу ступеней на четверти периода выходного напряжения преобразователя;
, 2, ..., N - номер выходного вывода трансформатора нри отсчете от среднего вывода его вторичной обмотки попеременно в одну и другую от него сторону в направлении увеличения числа витков отпаек.
Узел формирования управляющих сигналов однофазного инвертора высокой частоты содержит два триггера и логические элементы И и ИЛИ, входы обоих триггеров объединены и вместе со входами Л -входового и (N-1)-входового элементов ИЛИ образуют входы узла формирования управляющих сигналов, причем входы Л-входового логического элемента ИЛИ связаны с нечетными каналами распределителя импульсов, при отсчете от первого канала, входы (N-1)-входового логического элемента ИЛИ связаны с четными каналами распределителя импульсов, а входы триггеров - с 2JV-biM его каналом, одни входы второго и третьего двухвходовых логических элементов И подключены к прямому выходу одного триггера, одни входы первого и четвертого двзхвходовых логических элементов И подключены к инверсному выходу этого триггера, другие входы первого, третьего и второго, четвертого двухвходовых логических элементов И попарно подключены к выходам соответственно ()входового и Л -входового логического элементов ИЛИ, выходы первого, второго и третьего, четвертого логических элементов И попарно связаны через логические элементы ИЛИ с одними входами соответственно первого, второго и третьего, четвертого логических элементов ИЛИ, ко вторым входам первого, третьего и второго, четвертого этих логических элементов ИЛИ соответственно подключены выходы двух двухвходовых логических элементов И, входы которых соединены с входом триггеров и выходами второго триггера.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема силовой части предлагаемого преобразователя для случая на фиг. 2 - блок управления этим преобразователем; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя по фиг. 1; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы регулируемого по напряжению варианта преобразователя по фиг. 1; на фиг. 5 - зависимость коэффициента гармоник выходного иапряжения преобразователя от числа ступеней (N) на четверти периода его выходного напряжения.
Рассмотрим конкретный пример предлагаемого преобразователя с , т. е. когда коммутатор преобразователя имеет четыре управляемых ключа и кривая напряжения на выходе преобразователя состоит из четырех ступеней.
Предлагаемый преобразователь содержит однофазный инвертор 1 высокой частоты, выполненный на ключах 2-5. Инвертор 1 нагружен на первичную обмотку 6 согласующего трансформатора 7. Его вторичная обмотка 8 выполнена со средним выводом 9 и отпайками 10, И, образующими вместе с двумя концами 12, 13 этой обмотки выходные выводы 10-13 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 (см. фиг. 2) содержит задающий генератор 20, многоканальный распределитель 21 импульсов и узел 22 формирования управляющих сигналов.
Задающий генератор 20 подключен к многоканальному распределителю 21 импульсов, который выполнен восьмиканальным, причем первый его канал совместно с седьмым и восьмым, второй совместно с щестым, третий совместно с пятым и четвертым связаны с управляющими входами соответственно ключей 15, 16, 14, 17 коммутатора 18 через логические элементы ИЛИ. Распределитель 21 импульсов связан также с управляющими входами ключей 2-5 высокочастотного инвертора 1 через узел 22 формирования управляющих сигналов. Узел формироваиня 22 управляющих сигналов выполнен в виде щести двухвходовых логических элементов И 23-28, щести двухвходовых логических элементов ИЛИ 29-34, одного трехвходового 35 и одного четырехвходового 36 логических элементов ИЛИ и двух триггеров 37 и 38.
Входы триггеров 37 и 38 объединены и вместе с входами элементов 35 и 36 образуют входы узла формирования управляющих сигналов 22. Выходы триггера 37 и элементов 35, 36 через элементы И 23-26 связаны со входами логических элементов ИЛИ 29, 30, выходы которых подключены к одному из входов логических элементов ИЛИ 31-34. Вторые входы элементов 31 - 34 с выходами логических элементов И 27, 28, входы которых нодключены к выходам и входу триггера 38. Выходы элементов ИЛИ 31-34 связаны с управляющими входами ключей 2-5 однофазного инвертора I через буферные усилители 39.
Принцип формирования ступенчатого выходного напряжения поясняется на фиг. 3, где показаны ТИ (тактовые импульсы) па выходе задающего генератора 20. t/2-Us - сигналы управления, подаваемые на управляющие входы ключей 2-5 инвертора 1;
f/2 4 35 - №& дополнительные последовательности импульсов управления, подаваемые на ключи 2-5;
t iiarp - форма выходного напряжеНИН преобразователя;
Ui тр - форма напряжения на первичной обмотке 6 трансформатора 7;
- сигналы управления, подаваемые на управляющие
входы ключей 14-17 коммутатора 18.
При подключении питания к блоку управления и силовой части преобразователя и замыкания ключей 3, 4 инвертора 1 на первичной обмотке 6 согласующего высокочастотного трансформатора 7 формируется отрицательный импульс напряжения t/i тр. Полярность обмоток трансформатора такова, что при замыкании ключа 15 коммута7
тора 18 на иагрззке формируется первая ступень положптельной полуволны выходного напряжения f/nai-p. При замыкапии ключей 2 и 5 инвертора 1 па обмотке 6 формируется положительный пмнульс напряжения С/1 тр. Замыканием ключа 16 формируют вторую ступень выходного напряжения. Дальнейшее формирование ступеней происходит аналогично в соответствии с временными диаграмА1ами, представленными на фиг. 3.
Для формирования паузы меладу полуволнами выходного напряжения с помощью триггера 38 и логических элементов И 27, 28 выделяют две дополнительные последовательностн импульсов 2 4 з s. с частотой, равной выходной частоте преобразователя, сдвинутые между собой на угол я.
В соответствии с последовательностями имнульсов бз 4 35 замыкают пары
соседних ключей 2, 4 и 3, 5 однофазного инвертора 1, нринадлежаш,их разным его стойкам, тем самым подключая первичную обмотку 6 согласующего трансформатора 7 к общей точке цени питания.
Ценой некоторого усложнения устройства управления можно построить вариант преобразователя с регулированием длительности импульсов выходного напряжения. Регулирование может осуществляться в каждом из силовых звеньев преобразователя: в инверторе, в трансформаторе или в коммутаторе. С точки зрения уирои1,ения системы управления, рациональней регулировать напряжение в инверторе.
Простейший алгоритм управления ключами инвертора, обесиечиваюпиш регулирование длительиости импульсов выходного напряжения, основан на том, что широтное регулирование вводится на каждом интервале квантования выходного напряжения. Принцип его ноясияется временными диаграммами на фиг. 4, где показаны:
Uz-r-Uy - сигналы управления, подаваемые иа управляющие входы ключей 2-5 инвертора 1;
,4 35-№Q дополнительные носледовательности импульсов управления, подаваемые на ключи 2-5;
С/1 тр - форма напряжения на первичной обмотке 6 трансформатора 7;
С/нагр - форма выходного напряжения преобразователя; - сигналы управления, подаваемые на управляющие входы ключей 14-17 коммутатора 18.
АИМ может осуществляться с разным числом ступеней на четверти периода вы8
ходного напряжения преобразователя, с четным или нечетным чнслом переключений (п) ключей коммутатора на иолупериоде выходного напряжения, а также с пауЗОЙ между полуволнами выходного напряжепия или без нее.
В известном решении, принятом за прототип, ступенчатое нанряжение формируется с четным п и без паузы между нолуволнами выходного напряжения. В результате количество силовых ключей коммутатора равно удвоенному числу ступеней на четверти иериода выходного наиряження. В предлагаемом преобразователе выходное напряжение формируется с нечетным числом п и с паузой между полуволнами выходного напряжения. В этом случае число ключей коммутатора равно числу стененей на четверти периода выходного напряжения и при равном с прототипом числе управляемых ключей коммутатора предлагаемый преобразователь имеет меньший коэффициент гармоник выходного нанряжеиия, так как при том же числе ключей удается увеличить число ступеней на полунериоде выходного напряжения.
Так при числе ключей коммутатора Л 4 известное решение имеет коэффициент гармоник ,23 и формирует двухступенчатое напряжепие без паузы между его полуволнами. Предлагаемый преобразователь при том же числе ключей имеет К,- 0,133 н формирует четырехступенчатое нанряжение с паузой.
Предложенный преобразователь может применяться во всех тех случаях, когда требуется преобразование постоянного напряжения одного уровня в однофазное напряжение другого уровня заданной фиксированной частоты.
В нрннципе, выходную частоту можно регзлировать за счет изменения частоты задающего генератора. Диапазон регулирования при этом ограничен нижией рабочей
частотой согласующего трансформатора.
В качестве полностью управляемых ключей с двусторонней проводимостьх, нримеиенных в коммутаторе, могут быть использованы или встречио-иараллсльно
включеиные унравляемые ключи (транзисторы или тиристоры), или диодные мосты с управляемыми ключами на их выходах.
Целесообразное число ступеней Л выбирается в каждом случае применения в зависимости от требования к искажению выходного напряжения.
Зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения от числа ступеней, позволяющая осуществить выбор числа N
в каждом конкретном случае, представлена
на фиг. 5.
Формула изобретения
1. Преобразователь постоянного напряжения в квазисннусоидальное переменное.
содержащий однофазный инвертор высокой частоты, выходом нагруженный на первичную обмотку согласующего высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом и с отпайками, образующими вместе с двумя концами этой обмотки выходные выводы трансформатора, коммутатор на N управляемых ключах и блок управления, включающий в себя задающий генератор и многоканальный распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей коммутатора, причем 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 уменьщения искажений выходного напряжения без увеличения числа ключей коммутатора, распределитель импульсов выполнен 2Л-капальиым, его выходные каналы связаны с управляющими входами ключей однофазного инвертора высокой частоты через узел формирования управляющих сигналов, обеспечивающий подачу управляюП1,их импульсов на ключн этого инвертора для формирования его выходного напряжения и подачу управляющих импульсов на смежные ключи инвертора для формирования в выходном напряжении пауз, каждый выходной г-ый канал распределителя из числа () совместно с (2N-г)-ым каналом связан также с управляющим входом соответствующего ключа коммутатора через логический элемент ИЛИ, причем управляющие входы ключа, иодсоединенного к отпайке с минимальным числом витков, связаны через логический элемент ИЛИ не только с 1-ым и (2Л-1)-ым, но и с каналом распределителя, а число витков г-го выходного вывода трансформатора с числом витков его N-ro выходного вывода связано соотнощением:
sm,
NIN
гдеЛ - число ключей коммутатора, равное числу ступеней на четверти периода выходного преобразователя;
, 2, ..., N - номер выходного вывода трансформатора, при отсчете от среднего вывода его вторичной обмотки попеременно в одну и другую
от него сторону в направлении увеличения числа витков.
2.Преобразователь по п. I, отличающ и и с я тем, что узел формирования управляющих сигналов однофазного инвертора высокой частоты содержит два триггера и логические элементы И и ИЛИ, входы обоих триггеров объединены и вместе со
входами Л/-входового и ()-входового элементов ИЛИ образуют входы узла формирования управляющих сигналов, причем входы yV-входового логического элемента ИЛИ связаны с нечетными каналами распределителя импульсов, при отсчете от первого канала, входы (N-1)-Бходового логического элемента ИЛИ связаны с четными каналами распределителя импульсов, а входы триггеров - с 2;V-HbiM его каналом, одни входы второго и третьего двухвходовых логических элементов И подключены к прямому выходу одного триггера, одни входы 1-го и 4-го двухвходовых логических элементов И подключены к инверсному выходу этого триггера, другие входы 1-го, 3-го и 2-го, 4-го двухвходовых логических элементов И попарно подключены к выходам соответственно (Л-1)-входоБОго и yV-входового логических элементов ИЛИ, выходы
1-го, 2-го и 3-го, 4-го логических элементов И попарно связаны через логические элементы ИЛИ с одними входами соответственно 1-го, 2-го и 3-го, 4-го логических элементов ИЛИ, ко вторым входам 1-го, 3-го
и 2-го, 4-го этих логических элементов ИЛИ соответственно подключены выходы двух двухвходовых логических элементов И, входы которых соединены с входом триггеров н выходами второго триггера.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авт.свид. СССРН 02М5/42 № 436419, 1972.
2. Патент США, кл. 321-9, № 3652918, 1975.
3.Патент ФРГ, кл. Н 02М 7/44, 2160869, 1973.
4.Авт. свид. СССР Н 02М 7/48 Я 280R29. 1968.
5.Авт. свид. СССР Н 02М5/48,№414МЯ 1971.
6.Авт. свид. СССРН 02 М 5/42 №. 449425, 1971.
7. Повышение эффективности устройств преобразовательной техники. Ч. 4. Киев, «Наукова думка, 1973, с. 127-136 (прототип) .
Т1ПЛ
ЛУГ
2.
18
Л°15
JLJc
нагр.
г, 7Г
i С Э
;з
J
Фиг.З
fazA
