Преобразователь постоянного напряжения в переменное заданной формы Советский патент 1980 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к преобразованию и регулированию электрической энер гни с помощью переКлючаюишх элементов, например полупроводниковых приборе, и может быть использовано в системах электропитания, в электроприводе для получения низкочастотного напряжения квазисинусондальной фсч)мы. Известны преобразователи с квазисинусоидальной формой выходного напряжения, содержащие амплитудные модуляторы, нагруженньш на силовые трансформаторы 1 и 2 . Недостатком таких преобразователей является работа силовых трансформаторов с низкой частотой выходного напряжения, что неизбежно приводит к ухудшешю массо-габаритных показателей и, в свою очереоь, является причиной узкого диапазона регулирования частоты выходного напряжения. Существуют преобразователи с промежуточным повышением частоты, обладающие улучшенными массо габаритнь(ми показателями, включающие в себя д&модулятор, подключенный к последовательно соединенным вторичным обмоткам силовых трансформаторов амплитудных модуляторов 3 и 4 . Однако наличие на всем периода S вьгходном напряжении этих преобразователей провалов до нуля приводит к ухудшению его гармонического состава. Наиболее близким по технической cyiivности среди преобразователей с промежуточным пс®ышвннем частоты является.: преобразователь с квазисинусоидальной формой напряжения, содержащий основные и дополнительные силовые амплитудные модуляторы, вторичные обмотки силовых трансформаторов которых соединины последойатвпьно и подключены ко входу демодулятора. При этом управляющие входы оснопньЕх амплитудных модуляторов подключены к выходам вспомогательных амплитудных мсщуЛяторов, связанных с программным узлом, а управляющие аходы дополнительиьк амплитудных модуляторов подключены X выходам фазовых модудят€ - . 748 ров, подключенных к выходам блока обратной связи 5 , Выходное напряжение такого преобразователя представляет собой ступенчатую функцию, формируемую основными амплитудными модуляторами, с широтно-импульсной модуляцией по синусоидальному зако ну на отдельных ступенях, получаемой с допоянитйльных амплитудных модуляторов Недостатком такого преобразователя является сложность перестройки программного узпа при получении выходного напряжения любой другой формы, отличной от синусоидальной, что необходимо, например, при формировании управляющего воздействия ШпШнйТельными эл ектромагнитШми устройствами в системах автоматического регулирования. Кроме того, данный преобразователь обладает малым диапазоном регулирования велйчйнь еыходного напряжения,так как он -бпределя.ется только диапазоном регулиробанйя широтно-модулированного напряжения формируемого дoпoлниtёrIьными амплитудными модуляторами, В ряде случаев, например, при использовании такого преобразователя в устройствах частотно регулируамого электропривода, узкий диапазон регулирсзвания недостаточен. Цель изобретения - расширение функГцйональных возможнос тей за счёт йслуче- шя переменного напряжения любой заданной формь и увеличения диапазона его регулирования, Указанная цель дое гйгается тем, что в известный преобразователь, содержащий а 1пЛитУдные Модуляторы, силовые кходы Кбторьгх подключены к источнику постоянвого напряжения, а вторичные обмоткиих вы хвдных трансфорйафоров соединены поспедоватепьнб и подсоединены ко входу демодулятора, а также систему управления, включающую в себя задающий генера тор, выходом подключенный к одним нходам блока фазовых модуляторов, другие входы .которого соединены с вьгходаШ 6ni6&a Шшгитудньк KoKiitapaTopibBV при этом выходы блока фазовых модуляторов соединены со входалда одной части амплитудных модуляторов, дополнити1ьно введены источник эталонного напряжения, узел обратной связи, выпрямитель, блок форлшрователей пилообразных напряжений, узел инвертирования фазы, нузиь-орган, причем выход задающего генератора связан с од- ним из входов узла инвертирования фазы, другой аход которого пбшипочен тс выходу нуль-органа, а также оо входом блока формирователей пилообразных напряжений 4 и со входами другой части амплитудньй. модуляторов, при этом выход демодулятора, управляющий вход которого подключен к выходу узла инвертирования фазы, подсоединен к одному входу узла обратной связи, другой вход которого подключен к выходу источника эталонного напряжения, связанного также со входом нуль-органа, выход узла обратной связи подсоединен ко входу выпрямителя, выходом подключенного к одним входам блока амплитудных компараторов, другие входы которых связаны с выходами блока формирователей пилообразных напряжений. При этом блок формирователей пилообразных напряжений может быть выполнен в виде генератора пилообразного напряжения и суммато{зов, одни нходы которых соединены с выходом генератора пилообразного напряжения, а другие входы подключены к источникам различных эталонных уровней, причем вход генератора пилообразного напряжения является входом блока, а выходы сумматоров - его выходами. На фиг. 1 представлена схема преобразователя j на фиг. 2 - диаграммы, .иллюстрирующие его работу на фиг. 3 пример выполнения блока формирователей пилообразных напряжений; на фиг. 4 пример выполнения амплитудного компаратора и фагового модулятора; на фиг. 5 диаграммы, юшюстрирующи е и.х работу; на фиг. 6 - форма выходного напряжения преобразователя. Преобразователь постоянного напряж ния в переменное заданной формы содвржит амплитудные модуляторы 1,2,3,4, выполненные на Основе идентичных схем, например, мостовых инверторов, подклю- чёййых к йст эчнику постоянного напряжения 5. Вторичные обмотки выходных трансформаторов инверторов соединены посл.&довательно и подключены ко входу демодулятора б. Система управления преобразователя, синхронизируемая задающим генератором 7, содержит блок формирователей пилообразнь1х напряжений 8, вход которого соединен с выходом задающего генерато- ра 7, источник эталонного напряжения 9, узел обратной связи 10, один в.ход которого соединен с выходом генератора эталонного напряжения 9, а другой вход связан с выходом демодулятора 6. Выход узла обратной связи 10 подключен ко входу выпрямителя 11. Кроме того, система управления содержит блок амплитудных компараторов 12, включающий в себя амплитудные компараторы 13, 14, 15, причем один из входов амплитудных компараторов 13, 14, 15 соединен с выходом выпрямителя 11, а другой вход - с соответствующими выходами блока формироватапей пилообразного напряжения 8, блок фазовых модуляторов 16, содержащий фазовые модуляторы 17,18,19, одни из входов которьЕх подключены к выходам амплитудных компараторов, Соответст6ё1Ё1но 13, 14, 15, а другие входы подключены к выходу задающего генератора 7, Управляющие входы амплитудных модуляторов 1 связаны с выходом задающего генератора 7, а управляющие входы амплн тудных модуляторов 2,3,4 связаны соответственно с вьрсодами фазовых модуляторов 17,18,19. В состав системы управления входит также узел инвертирования фазы 20, один из входов которого I соединен с выходом задающего генератора -7, а другой аход соединен с выходом нуль-органа 21, вход которого подключен к выходу источника эталонного напрянсбнйя 9. Выход узла инвертирования фазы 2О связан с управляющим входом демодулятора 6. демодулятора 6 является ВЬЕХОДОМ преобразователя. Рассмотрим работу преобразователя для случая, когда в формировании выходного напряжения участвуют амплитудные модуляторы 1,2,3, фазовые модуляторы 17,18 и амплитудные компараторы 12,13 а источник эталонного напряжения 9. фор мируегт эталонное напряжение синусоидальной формы. Задающий генератор 7 (фиГ,1) вырабатывает высокочастотное напряжение и 7 (фиг, 2) типа меандр, поступающее на аход блока формирователей пилообразных напряжений, с выходов которого лил образные напряжения Ugi Ug «смещенные друг относительно друга на величин, их амплитуды подаются на одни входы амплитудных компараторов 13, 14, На вторые аходы амгшитудных компараторов 13, 14, поступает напряжение U к с выпря- мителя 11, на вход которого подается, напряжение рассогласования с выхода уз ла обратной связи 10, При этом на един вход узла 10 подается напряжение еинусоидальной формы с выхода источника эталонного напряжения 9, а на второй напряжение с выхода демодулятора 6, При изменении эталонного напряжения.в HHTSpвале времени i -г t на выходе компаратора 13 формируется широтно-моду- .лированное напряжение U ,3 по закону изменения эталонного напряжения. Это ; напряжение поступает на один вход фазо вого модулятора 17, а на второй вход напряжение U 7 задающего генератора 7, При этом на выходе фазового модулятора 17формируется напряжение U |7 с фазовым сдвигом относительно напряжения U ; задающего генератора 7 на веяичицу длительности импульсов напря кений и,э KOJ пара гора 13, С момента времени t t амплитуда напряжения U j с выхода выпрямителя 11 превьииает амплитуду пилообразного капряйсэния Ug , поступающего на вход коьшаратора 13 и он прекращает свою работу. При этом фазовый сдвиг напряжения U ,7 на выходе фазового модулятора i в дальнейшем не изменяется.и сохраняет свое конечное значение. При дальнейшем изменении эталонного напряженин в интервале в)Ьемёни t - t всту пает в работу компаратор 14, что приводит к аналогичному изменению фазы напряжения U ig на выходе фазового модулятора 18. В ииггервале времени tg процессы изменения напряжений U|-y, U|g н выходах фазовых модуляторов 17, 18 происходят в обратном порядке. Напряжения и ,7 t и ig на выходах фазовых модуляторов 17, 18 являются управляющими для амплитудных модуляторов соответственко 2,3, с выходными напряжениями U. . U . Амплитудные модуляторы 1 управляются импульсами с выхода задазо„6 генератора 7 и фаза их выходных напряжений U i в процессе работы не изменяется,.. . . , . В результате суммирования напряжений U . , U 2 . JJ 3 амплитудных модуляторов 4,2,3 за счет последовательного соединения вторичных обмоток их вьрсодны трансформаторов на входе демодулятора 6 формируется напряжение 0..,,., Управление демодулятором 6 осуществляется вькодными импульсами узла инвертирований фазы 20, которь1й под действием напряжения с нуль-органа 21, поступающего на один его вход, изменяет фазу напряжения зада- ютего гейёратора 7, поступающего на другой его йход,на 180С. Изменение фазы ва , происходит в моменты перехода эталонного напряжения через нуль, фиксируамые пь-органом 21. При этом на выходе демодулятора 6 формируется выходное напряжение преобразователя U, На фиг, 4 представлен один из возможных вариа1ггов выполнения ахем амплитудного компаратора 13 и фазового мо дулятора 17, об(еспечивак щих сдвиг фазы уг равляющегонапряжения амплитудного модулятора 2 в соответствии с изменением напряжения эталонного генератора , 8, а на фиг. 5 - диаграммы юс работы На неинвертирующий и инвертирующий входы компаратора 13 поступают соот ветственно пилообразные напряжения и ft и напряжения и IJ (фиг. 2,4), предЬтбюлянйцйе собой выпрякшенное напряжение рассогласования между напряжением эталонного генератора 8 и выходным н&пря:)йением преобразователя. Широтно-модулиршанное напряжение U ij, с выкода компаратора 13 поступает на один вход фазового модулятора 17, выполненного на логических элементах , и на рой вход подается напряжение U- задающего генератора 7, Выходное напряжение схем И-НЕ 22,23,24,25,26,27 соответственно обозначены U Ъ U25 и 2 Напряжения и 27 являются управляющими для амплитудного .модулятора 2. Схемы фазового модулятора 18 и компаратора 14, связантные с амплитудным, модулятором. 3, .аналогичны. Отличие состоит только в том что пилообразное напряжение U g , подаваемое на вход компаратора 14, смещено на величину амплитуды напряжения U g . Таким образом, напряжение и.ц при выходе из зоны регулирования для амплитудного модулятора 2 попадает в зону регу.лйрования для амплитудного модулятора 3 чей д ЗСтйгается непрерьтное слежение выходного напряжения преобразователя за напряйсением эталонного источника. Следуе отметить, что в преобразователе обеспечивается однозначная связь между текущим ;зна ениеМнапряж.енйя эталонного источни. ка 8 и значениями сдвига фаз напряжений амплитудных модуляторов. Изменением эТаПоИнОгр Напряжейия как по амплитуде, так и по частоте осуществляется соот- ветСтвующее регулирование параметров вы ходного нaпpяжeкfия преобразователя. При необходимости улучшения формы. вьпсодного нйфяжения по Сравнению с рассмотренной количество амплитудных мЬдупятороа тре.буется увеличить, что приведет к увеличв« . нию числа ступеней ввьгходном напряжени и ке К Следствие, уменьшению доли широт- но-импульсного напряжения. Например, на... фиг. 6 показан вид вьк одного четырахсту пенчатого .напряжений для случая, когда в его фор.мировании участвуют пять амплитудно-импульсных модуляторов. С целью упрощения графического изображения диаграмм работы преобразователя кратнссть промежуточной и модулирующей частот выбрана небольшой, В связи с ; 74 7 8 выходное напряжение преобразов те- ля имеет незначительную несимметрию. Однако, в случае бг.пьшой кратности этих частот, например, f пром 20 кТи, ij-bix - несимметрия выходного напряжения несущественна. На фиг. 3 представлен один из возможных вариантов выполнения блока формирователей пилообразных напряжений 8. Он содержит г .енератор пилообразного напряжения 28, вход которого является входом блока S, и сумматоры 29,30,31, ; выходы которых являются выходами блока 8„ Одни входы сумматоров 29,30,31 соединены с вьгходом генератора пилообразного напряжения 28, а другие входы, подключены к источникам различных постоянных эталонные уровней U j U , U g я На выходе генератора пилообразного напряжения 28, синхронизируемого выходными импульсами задающего генератора 7, формируется пилообразное напряжение, которое поступает на одни входы сумматоров 29, 30, .31. На другие В.ХОДЫ сумматоров 29, 30, 31 подаются постоянные, но различные по величине, эталонные напряжения U j U о U о величина которых отличается друг от друга соответственн.о на вeличиIiy амплитуды пилообразного -напряжения, формируемого на вьпсоде генератора пилообразного напряжения 28. В результате на выходах сумматоров 29, 30, 31 формируются пилообразные напряжения, смещенные друг относительно друга на величину амплитуды пилообразного напряжения. Использование в предлагаемом преобразователе HOBbix блоков и схем выгодно отличает его от указанного прототипа. Если в известном преобразователе необходимость изменения формы вы.ходного напряжения неизбежно приводит к необходимдсти полной функционапьной перестройки, программного узла, то в предлагаемом преобразователе одйо лишь изменение формы эталонного напряжения приводит к: соответствующему изменению формы выходного напряжени.я преобразователя, причем У°°,, Р°, сигнала приводит к соответствующему изменению параметров выходного напряжения. Следует отметить, что любому мгновеннок{5 значению эталонного сигнала от нуля до максимума соответствует определенный фазовый сдвиг выходных напряжений амплитудных модуляторов, однозначно определ.яю.ш,ий величину вьрсодного напряжения пр8обрааовател.я„ Таким об- разом, преобразователь обладает значительно большим диапазоном регулирования выходного напряжения, так как кмоется практическая возможность регулирбвать его от нуля до максимального значения. В качестве примера бьш рассмот рен вариант работы преобразователя с синусоидальным выходным напряжением, В этом случае в качестве источника эталонного напряжения используется генератор синусоидального сигнала. Для получения другой формы выходного напряж,енн необходим генератор с напряжением соответствующей формы. При необходимости управления разнообразными процессами (гальванопластика, пропорциональное управление электромагнитными исполнительными устройствами, ис.пальзованиё в депях питания мощных модуляторов и т,д,) возможности преобразователя могут быть значительно расширены, если в качестве источника эталонного напряжения использовать аналоговую или цифровую электронно-вычислительную машину с циф роаналоговым преобразов ателем. При этом выходное напряжение преобразователя мо жет изменяться по заранее установленному закону (программе) или в соответстви с изменениями характера протекания процесса,. Формула изобретен.и я 1, Преобразователь постоянного напряжения в переменное заданной формы, содержащий амплитудные модуляторы, силовые входы которых подключены к источнику постоянного напряжения, а вторичные обмотки их вьгсодных трансформаторов соединены последовательно и подсоединены ко входу демодулятора, а также систему управления, включающую в себя задающий генератор, выходом подключенный к одним входам блока фазовых модуляторов. Другие входы которого соединены с выходами блока амплитудных компараторов, при этом выходы блока фазовых модуляторов соединены со аходами одной части амплитудных модуляторов, отличающийся тем, что, с целью расщирения функциональных возм:ожвостей за счет получения переменного на пряжения любой заданной формы и увелич ния диапазона erd регулирования, в пр&образователь дополнительно введены истб ник эталоннозго напряжения, узел обратной связи, выпрямитель, блок формирователей пилообразных напряжений, узел инвертиро вания фазы, нуль-орган, причем выход задающего генератора связан с одним из входов узла инвертирования фазы, второй вход которого подключен к вькоду нульоргана, а также со входом блока формирователей пилообразных напряжений входами другой части амплитудных модуляторов, при этом выход демодулятора, управляющий вход которого подключен к вькоду узла инвертирования фазы, подсоединен к одному входу узла обратной связи, второй вход которого подключен к вььходу источника эталонного напряжения, связанного также со входом нуль-органа, выход узла обратной связи подсоединен ко Входу выпрямителя, выходом подключенного к одним входам блока амплитудных компараторов, другие входы которых связаны с выходами блока формирователей пилообразнь1х напряжений. 2. Преобразоватвль по п, 1, от л и дающийся тем, чтс блок формирователей пилообразных напряжений выполнен в виде генератора пилообразного напряжения и сумматоров, одни аходы которых соединены с вь4ходом генератора пилообразного напряжения, а другие входы п одключены к источникам различных этало№rtbtx уровней, причём вход генератора пилообразного напряжения является входом блока, а выходы сумматоров - его выходами. .... -. ,.. . Источники информации, принятые во вниманиепри экспертизе 1; Патент США № 3723848, кл. 321-45, 1973. 2,Заявка Великобритании № 1371717, кл, Н 2 F,,1974. 3.Миловзоров В. Н.,.Мусолин А, К., Морозов А, С, Стабилизированный преобразовательпостоянного напряжения в переменное, ступенчато-синусоидальное.-Современные задачи преобразовательной техники, Киев, изд. АН УССР, 1975, ч.4, с. 150-157. . 4. Тонкаль В. Е., Мэльничук Л, П., овосельцев А, В., Дыхненко Ю, И, Метод иений и построение на его основе тирисорНых преобразоватапей частоты с регуируемыми параметрами синусоидального апряжения.- Современные задачи преобазовательной техники, Киев, изд. АН ССР, 1975, ч. 3, с. 187-197. 5, Авторское свидетельство СССР по аявке № 246357/07(0321156),

/in П П n П П rLJTJ LJTTT rLr

W Uff

m/m

1/8 Vft

i It

tunriJL

пппллпя nnnnnnnnr

У

Илгг1Л1 шШ 1Ш1яг

1«

WP;

I/

«)

(u,;

,в

ппглллллппгшллш.

i«

m/mm

s 6

ллшггшш

t

и аи

-1- -i- -Ь

Г

ЪО

3/

Е-Л-Л

0 i4yri 0

Ф.з ..,