Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в переменное многоступенчатой формы Советский патент 1980 года по МПК H02M7/515 

Изобретение относится к преобразовав тельной технике и может быть использовано в системах электропитания для получения стабилизированного напряжения сину соидальной формы ниасой частоты. Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий задающий генератор, фазосдвигающее устройство, два инвертора, выходной фильтр и формирователь сигнала рассогласования. Задающий генератор формирует напряжение прямоуголь ной формы и определяет рабочую частоту и фазу одного из инверторов. 11епи управления другого инвертора соединены с фазосдБ ггающим устройством, которое форми рует прямоугольное напряжение той же частоты, что и задающий генератор, но сдвинутое по фазе на угол.пррпорциональ- ный сигналу указанного фс мирователя I На вход фипьтра подается суммарное ; напряжение двух инверторов с регулируемым углом сдвига. На выходе фильтра напряжение имеет синусоидальную форму и поступает на нагрузку и на схему срйвнения. Если его амплитуда превьпиает опорное напряжение, то сигнал поступает на одновибратор, а фильтр нижних частот выделяет постоянную составляющую этих импульсов, величина которой и определяет фазовый сдвиг между двумя инверторами Недостатком данного преобразователя является низкое качество электрической энергии в переходных режимах, что обусловлено наличием фальтра низщих частот, н изменение фазы выходного напряжения в процессе регулирования (стабилизашш). Известен также преобразователь, содержащий инвертор повышенной частоты с выходным трансформатором, отводы вто ричной обмотки которого подключены к встречно-параллельно включенным вентилям шклоконвертора, задающий генератор, распределитель импульсов, кольцевую пересчетную схему и делитель частоты. Задающий генератор формирует напряжение прямоугольной формы, которое поступает на правляющие электроды тиристоров инвертора и на делитель частоты, на выходе которого формируется прямоугольное напряжение частоты в К раз ниже рабочей частоты задающего генератора. Выход делителя частоты соединен с: кольцевой пересчетной схемой, на выходе которой формируется несколько импульсов напряжения, распределенных во времени. Затем сигналы с кольцевой пересчетной схемы и задающего генератора поступают на рас- ю прецелитель импульсов, выходы которого соединены с управляющими электродами тиристоров пшслоконвертора L2j. Недостатком данного преобразователя является то, что в нем не предусмотрено, регулирование величины выходного напря. Наиболее близким по технической сущности является стабилизированный статический преобразователь с синусоидельным выходным напряжением, состоящий из двух элементарных преобразователей, выходы которых соединены последовательно. При этом каждый элементарный преобразователь содержит инвертор повышенной частоты с выходным трансформатором, отводы вторичной обмотки которого подключены к встречно-параллельно включенным тири сторам циклоконвертора (НПЧ), системы t ( ч /,,управления каждым элементарным преобразователем, фазосдвигающее устройство и блок обратной связи. На выходе каждого элементарного преобразователя формируется многоступенчатое напряжение, фаЗОВЫЙ сдвиг одного из которых по шению к другому регулируемся припомо.цщ фазосдвигающего устройства. Значение f-J. напряжения будет зависеть от фазового ,. сдвига между двумя указанными преобра-зователями и будет максимальное, когда г ти- «тгтк мч-г tf FitT тт 1-ч/т к J л П ТЧГ. Г фазовый сдвиг О.. Стабилизация выходного напряжения осуществляется фазовым способом за счет использования замкнутой системы автоматического регулиро , вания по отклонению. В связи с э-гам и uatTCra ТТЛ TTrttI itlMm R ОтаСТОТТ n ГЖ предусмотрено введение блока обратной связи, подключенного к выходу стабилизированного преобразователя. Свсгнал с выхода обратной связи поступает в фазосдвигающее устройство, которое и определяет фазовый сдвиг между напряжениями двух элементарных преобразователей 3, При формировании напряжения низкой частоты в блоке обратной связи величина сглаживающего фильтра (обычно R-C) должна обладать большой постоянной для хорошего сглаживания переменного вьнпрямлвшого напряжения. Это обусловлено

тем, что сравнение выходного напряжения и напряжения уставки осуществляется на постоянном токе. Это приводит к тому, что при резком сбросе нагрузки напряжение на выходе преобразователя им.еет боль шую величину перерегулирования, а при набросе нагрузки наблюдается провал выходного напряжения. Это обусловлено тем, что в первоначальный момент времени :зак{кнутая система ведет себя как рагом кнутая иэ-за большой постсинной времени фильтра, входящего -в блок обратной связи. Кроме тег о, для целей регулирования используется два элементарных преобразователя, содержащих по одному циклоконвертору. Это приводит к увеличению в два раза количества вентилей циклоконвертора, а значит массы и габаритов, хотя и классность их при этом в два раза уменьшается по сравнению с нерегулируемым статическим преобразователем (масса и габариты тиристоров не зависят от их классности). Кроме тото, в процессе регулирования загрузки одного и того же тиристора при постоянной нагрузке существенно изменяется. Напрнрмер, при работе элементарных преобразователей на активную нагрузку для обеспе-„чения диапазона регулирования ррг 2 .i- j рver нужно изменять фазовый угол 2 с, от О иГЧ/ШГТГЧ TJOXJQtJatnr4T .4iQ- j-M5i rA О «i г до 120°. Это приводит к тому, что при 2с 120 один элементарный преобразователь будет работать на эквивалентную нагрузкусо в Ф 0.5 (- 10°/1 б6°) f-f JнfW / индуктивного арактера, а другой на нагрузку со Ч „ 0,5 емкостного характера. Величина среднет-о значения тсжа, протекающего через любой т-ый вентиль „ циклоконвертора, зависит от сОб . гг fН Так, например, для вентилей формирующих первую ступень напряжения (гп 1), нагрузки при cos 0 и COS Ч 0,5 07 личаются в 3 раза (количество тактовых . ,Гг, «ч интервалов i 6, подынтервалов ), t -/ I а при - в 4 раза. Кроме того, для управления рассматриваемым преобразователем нужна сложная схема управления, включающая в себя две кольцевые пересчетные схемы, жестко синхронизируемые между собой. Недостатком данного преобразователя Является HHSKoe качество электрической энергии в переходных режимах, значи- теяьвая масса и габариты устройства. Известен преобразователь, использующий специальный измерительный органдемодулятор, безьшерционно преобразуюпшй переменное напряжение в постоянное (без пульсаций) |4.

. Целые изобретения является упрощение устройств, уменьшение i массы и габаритов и улучшение качества преобразованной элеястроэнерйгии.

Поставленная цель достигается тем, что в известном стабилизированноЧс преобразователе, содержащий основной и вспомогательный инверторы с выходшыми трансформаторами, вторичные обмотки которых выполнены с отводами, ключи с двухсторонней проводимостыю, одними концами подключенные к отводам вторичной обмотки трансформатора основного инв тора с заданным соотношением чисел ватков, а также блок управления, включающий в себя первую систему управления осно&ным инвертором и упомянутыми ключами и вторую систему управления вспомсгательным инвертором, управляющими входаг ми связанную с выходом преобразователя и с первой системой управления, концы вторичной обмотки трансформатора вспомогательного инвертора-и ее отводы, числом равные числу отводов вторичной обмотки трансформатора основного инвертора к выполненные с тем же соотношением чисел витков, подключены к другим конпам соответствующих ключей с двухсторонней проводимостью.

На фиг. 1 представлена схема стабилизированного статического преобразователя; на фиг. 2 - диаграммы напряжений за отдельных элементах схемы.

1

Преобразователь содержит основной нерегулируемый инвертор 1 с первой системой 2 управления, состоящей из задающего генератора 3 и кольцевой пересчетной схемы 4, выходной трансформатор 5 с отводами 6-12 вторачной обмотки, ключи 13-18 с двухсторонней проводимостыю, образующие циклоконвертор, выходной фильтр 19, блок 20 обратной связи, вспомогательный регулируемый инвертор 21, со второй системой 22 управления н с выходным трансформатором 23 с отводами 24-30 вторичной обмотки, а также демодулятор 31.

Рассмотрим работу преобразователя (фиг. 1) при формировании трехступенчато го напряжения с количеством подыинтервалов в каждом тактовом интервале (ф1д.2). Задающий гетсератор 3 схемы 2 управления формирует прямоугольный сигнал 32, который поступает на управляющие элэстроды ключей и таристоров основного инвертора.. Такое же по фррме и частоте напряже|ше .

формируется на вгорячной обмотке силового .трансформатора 5. При гюмощи кольцевой пересчетной схемы 4 получают последовательность прямоугольных импульсов, которые поступают на соответствующ управляющие элистроды ключей 13-18, соеданенньа с отводами 6-8, 10-12, 2426, 28-30 вторичных обмоток трансформаторов основного и вспомогательного инвертора. На вторичной обмотке трансформатора, вспомогательнсгр инвертора фо| мируется прямоугольное напряжение 33, 34 с регулируемой скважностью (исполь ется двухсторонняя модуляция), что достигается за счет определенного управления ключами инвертора 21 при помощи системы 22 управлзшя. В момент времени tg (фаг. 2) импульс управления поступает на управляющий вход ключа 15, и сумма(жое напряжение частей обмоток 8 и 9 и 26-27 прикладывается к нагрузке. При этом напряженке части обмотки 26-27 может быть с обеими знаками (как вычитаться - 35, так и суммироваться - 36). В момент вроиени t включают ключ 16 (15 выключается) я к нагрузке подключают части обмоток 9-10 и 27-28. Очевидно, что обмотки 8-9 и 9-10, 26-27 н 27-28 одинаковые, так как они формируют напряжетше одного тактового интервала.

Число подынтервалов () может выбираться любой величиной, а соотношение амплитуд части обмоток 8-9 и 26-27, 7-9 и 25-27, 6-9 и 24-27 зависит от диапазона регулирования Eper Jmoot/u ; Так, например, при .рвг 2 напряжения указанных частей обмоток находятся в соотношении 1:0,33. При формировании выходного напряжения во второй тутовый, интервал (tij... t ) поочередно включают ключи 14 и 17 и т. д. Таким образом, при максимальном напряжении питани инвертор 21 формирует напряжение 33 без нулевой паузь и его величина вычитается из напряженЕя нерегулируемого инвертора. При снижении напряжения питания (или ином возмущающем воздействии) за счет замктнутой системы стабилизации осуществляется уменьшением длительности импульса до нуля (режим вольтовычатания). При дальнейшем снижении входного напряжения длительность импульса регулируемого инвертора начинает изменяться от нуля и до максимальной величины (режим вольтодобаыси) и суммируется с на пряжением основного инвертора. При та-, ком построении щ еобразователя фаза вь{хооного напряжения в процессе рет улирования остается неизменной, что является необходимым условием для питания определенного рода нагрузок. К отводам 24, 25,26,28,29,30 и 9 подключен демодулятор (фиг. 1), на выходе которого формируется постоянное напряжение 37. На вход демодулятора (относительно отвода 9) поступает ступенчатое напряжение нерегулируемого и шертора которое, например, при помощи вьшрямите- лей выпрямляется (38) и при помощи делителей транзисторов, управляемых с выхода кольцевой пересчетной схемы, преобразуется впостоянное. Сигнал на выходе демодулятора пропсрционален мгновенному значению выходного многоступенчатого напряжения нерегу лируемого инвертора и .учитывает внеш- нюю характеристику преобразователя и колебание напряжения питания. Таким образом, резкое изменение напряжения пита ния или нагрузки ( в переходных режимах приводит к мгновенному изменению сигнала на выходе демодулятора, в схеме кото рого отсутствуют реактивные элементы, и мгновенному изменешзю длительности импульса напряжения дополнительного и вертора. Дополнительная стабилизация выходного напряжения преобразователя в статическом режиме достигается за счет использования главной обратной связи. Такое построение преобразователя позволяет уменьшить величину перерегулирования (провала) выходного напряжения в переходных режимах и уменьшить длитель ность переходного процесса. Кроме того, в предлагаемой схеме используется один шпслоконвертор, а значит по сравнению с прототипом уменьшается в 2 раза количество тиристоров, их масса и габариты. При этом величина- тока через гп - ый вентиль в процессе стабилизации выходног напряжения при постоянной нагрузке остается неизменной, что еще дает выиграш в установленной мощности, массе и габаритов циклоконвертора. Величина габаритной мощности трансформаторов предлагаемого устройства такая же как и прототи па и определяется двумя крайними режимами (напряжение питания минимальное и максимальное, нагрузка активная). Из анализа процессов установлено, что относительная мощность выходного фильтра Ре В предлагаемом устройстве несколько меньше, чем в известном (при рег 2, 6, , ), максимальный коэффициент искажения синусоидальности Кп рассматриваемого преобразователя 5,2%, а у прототипа 7,3%. Кроме этого необходимо отметгать, что схема управления предлагаемого преобразователя значательно проще схемы управления известного. Формула изобретения Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в переменное многоступенчатой формы, содержащий основной и вспомогательный инверторы с выходными трансформаторами, вторичные обмотки которых выполнены с отводами, ключи с двухсторонней проводимостью. одними концами подключенные к отводам вторичной обмотки трансформатора основного инвертора с заданным соотношением чисел витков, а .также блок управления, включающий в себя первую cиcтQv y управления основным инвертором и упомянутыми ключами и вторую систему управления вспомогательным инвертором; управляющими входами связанную с выходом преобразователя и с первой системой управления, отличающийся тем, что, с целью упрощения, уменьшения массы и габаритов и улучшения качества преобразованной эластроэнергии, концы вторичной обмотки трансформатора вспомогательного инвертора и ее отводы, числом равные числу отводов вторичной обмотки трансформатора основного инвертора и выполненные с тем же соотношением чисел витков, подключены к другим концам соответствующих клю1ей с двухсторонней проводимоотью. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторскоэ свидетельство СССР № 315167, кл. G 05 F 1/10, 1967. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке N 2525693/07, кл. К 02 М 7/515, 1977. 3.Непосредств«1ные преобразователи частоты. Киев изд-е общества Знание, 1977, с. 32. 4.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2576286/07, Н 02 М 7/515 1978.

фиг.

32 пп о П

mm

UIU1

funr СИ 12 t5 if 15 te t7 te tS t/0 i//

n п л п п п п п п п п п п

и и UUUUUDUUUU

JLJUUI

JUl

ЛЛ1

у

JJS

ишши ч Ю Hi .

nuiJ

л1л

JMlMll

TTUl

Г1ПГ

Wim ппппплл п п п UUUUUUUUUU fsd