Инвертор с синусоидальной формойВыХОдНОгО НАпРяжЕНия Советский патент 1981 года по МПК H02M7/48 H02P13/20 

(54) ИНВЕРТОР С СИНУСОИДАЛЬНОЙ ФОРМОЙ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

I

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для построения высокоэффективных источников электропитания промышленной и специальной аппаратуры в автономных объектах, где требуются высокая стабильность и точность формы и амплитуды выходного напряжения, высокий КПД в широком диапазоне изменений тока нагрузки и вида нагрузки.

Известны преобразователи с синусоидальной формой выходного напряжения, использующие широтно-импульсную модуляцию 13 и 2. в этих устройствах постоянная составляющая изменяется за счет широтно-импульсной модуляции по требуемому закону, задаваемому источником опорного сигнала (модуль синуса), с последующим инвертированием выходного напряжения (моменты инвертирования совпадают с моментами перехода через нуль мoдyпиpye юго сигнала - синусоиды С 21), либо инвертируют не отфильтрованный выходной сигнал - модуль синуса в широтно-импульСно-модулированный сигнал с последующей фильтрацией СО

.

Однако в этих устройствах не удается обеспечить высокое качество выходного напряжения (форму) и его малую нестабильность в широком диапазоне изменений тока нагрузки, а также при работе устройства на комплексную нагрузку с большим фазоЁым сдвигом между током и напряжением, хотя в большинстве выпускаемой промьшшенностью аппаратуры содержится трансформатор и выпрямитель с первым емкостным звеном фильтра. Все это приводит к отсечке потребляемого тока, т.е. нагрузка представляет собой нелинейную цепь со значительной реактивной составлякяцей, ток может либо опережать, либо отставать от напряжения, кроме того, в моменты коммутации такие устройства не в состоянии эффективно и без потерь регулиронать реактивную мощность, что приводит к искажению формы выходного напряжения, так как нет пути протекания тока, который отстает .либо опережает напряжение на нагрузке. Преобразователи с синусоидальной формой выходного напряжения должны обеспечивать высокое качество выходного напряжения в широком диапазоне токов нагрузки и устранять искажения формы напряжения при работе на активно-реактивную нагрузку. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее эталонный генератор, подключенный к одному из входов схемы сравнения, выход которой подключен к широтно-импульсному модулятору, мостовой выходной каскад с LC-фильтром, выход которого подключен к другому входу схемы сравнения,, выход широтно-импульсного модулятора подключен через дополнительные усилители к источникам запирающего и отпирающего напряжения, включенным в цепь управления транзисторами выходного мостового каскада. В данном преобразователе отсутствуют искажения формы выходного напряжения при работе на активно-реактивную нагрузку в широком диапазоне изменения токов нагруз ки, так как существуют цепи рекупера ции реактивной мощности, но именно из-за этих цепей он обладает невысоким КПД в связи с наличием сквозных токов 43. Точность системы тем вьше, чем больше коэффициент усиления цепи обратной связи, но возможность увеличения коэффициента усиления в контуре системы для повышения ее точности по управляющему воздействию и возмущениям ограничена условием устойчивос ти. Следовательно, в данном преобразователе нельзя достичь высокой стабильности выходного напряжения из-за ограничения максимального коэффициента усиления в канапе, охваченном обратной связью. Цель изобретения - повьшение КПД и устойчивости- преобразователя. Поставленная цепь достигается тем что в инвертор с синусоидальной формой выходного напряжения, содержащий эталонный генератор, подключенный к одному из входов схемы сравнения, другой вход которой подключен к выходным Еолводам инвертора, а ее выход 8 54 соединен со входом широтно-импульсного модулятора, а также источники запирающего и отпирающего напряжения, которые вместе с гальвиничесют развязанными выходами модулятора подключены к эмиттерам силовых транзисторов выходного каскада, выполненного по мостовой схеме, причем между выводами переменного тока этого моста, образующими выходные выводы инвертора, включен LC-фильтр, введе.ны выпрямитель, два пороговых усилителя, комбинационная схема, имеющая два входа, и управляемые ключи переменного тока, причем выход эталонного генератора и схемы сравнения соединены через пороговые усилители со входами комбинационной схемы, выходы которой подключены к управляющим входам соответствующих ключей переменного тока, силовые выводы последних включены между источниками отпирающего и запиракнцего напряжений, гальванически развязанными выходами широтно-импульсного модулятора и базами силовых транзисторов выходного каскада, а вход пшротно-импульсного модулятора через введенный выпрямитель подключен к выходу схемы сравнения. Кроме того, с целью упрощения, вбпсод вьтрямителя подключен к управляющему входу введенного фазо-импульсного модулятора, выполненного в виде опорного генератора прямоугольного напряжения и фазосдвигающего узла, . причем гальванически развязанные выходы опорного генератора прямоугольного напряжения соединены с первым входом соответствующих введенных Преобразователей фазо-импульсно-модулированных сигналов в широтно-импульсно-модулированные, выходом соер 1ненных с базами силовых транзисторов выходного каскада, выход опорного генератора прямоугольного напряжения через ключ переменного тока в фазе, гальванически развязанные выходы эталонного генератора через другой ключ переменного тока в противофазе и выход фазосдвигакщего узла через третий ключ переменного тока подключены ко второму входу указанных преобразователей, а управляющие входы ключей переменного тока подключены к соответствующим выходам комбинационной схемы. На фиг.1 изображена принципиальная схема инвертора с синусоидальной формой выходного напряженияJ на фиг.2 диаграммы напряжений, иллюстрирующи работу инвертора; на фиг.З - эквива лентные схемы инвертора, поясняющие принцип его работы; на фиг.4 - широ но-импульсный модулятор, источники отпирающего, запирающего, широтноимпульсно-модулированных сигналов и ключи переменного: тока, вариант} на фиг.З - принципиальная схема KOW бииационной схемы. Инвертор с синусоидальной формой выходного напряжения фиг.1 содержит эталонный генератор 1, схему 2 сравнения, выпрямитель 3, широтноимпульсный модулятор 4, пороговые усилители 5 и 6, комбинационную схему 7, блоки 8 ключей переменного тока, транзисторы 9-1.2 мостового выходного каскада, диоды 13-16, дроссель 17, конденсатор 18, источники 19-22 запирающего напряжения, источники 23-26 отпирающего напряжения, гальванически развязанные выходы .27-30 широтно-импульсного модулятора источник 31 постоянного напряжения. Широтно-импульсный мрдулятор с гальванически развязанными выходами, источники запирающего и oтпиpaющef o Напряжения, ключи переменного тока могут состоять из фазо-импульсного модулятора 32 фиг.4), генератора 33 прямоугольного напряжения, фазосдвигающего узла 34, блоков 35 ключей переменного тока и преобразователя 36 фазо-импульсно-модулированного сигнала в пшротно-импульсио-модулиро ванный. Комбинационная схема 7 (фиг может содержать логические элементы НЕ 37-40 и логические элементы И-НЕ 41 и 42 (фиг.5). Выход эталонно го генератора 1 соединен со схемой 2сравнения и пороговым усилителем 6. На другой вход схемы 2 сравнения поступает напряжение с конденсатора 18 выходного LC-фильтра. &)1ход схемы сравнения соединен с вьшрямителем 3и пороговым усилителем 5. К управляющему входу широтно-импульсного модулятора 4 подключен выход выпрямителя 3. Гальванически развязанные выходы широтно-импульсного модулятор источники отпирающего и запирающего напряжения подключены к экиитерам транзисторов мостового каскада, другим своим концом каждый источник подключен к силовым выводам соответствующих ключей переменного тока. другой конец которых подключен к базам транзисторов 9-12. Выходы пороговых усилителей 5 и 6 подключены ко входам комбинационной схема 7, выходы которой подключены к соответствующим ключам 8 переменного тока. В диагональ выходного мостового каскада включен LC-фшIьтp, причем один конец конденсатора, не связанный с схемой 2 сравнения, заземлен. Данное устройство упрощается, если выход выпрямителя .3 соединен с фазоимпульсным модулятором 32, содержащим опорный генератор 33 прямоугольного напряжения, подключенный к фазосдвигающему узлу 34, управляющий вход которого является входом фазо-импульсного модулятора 32, гальванически развязанные выходы генератора 33 прямоугольного напряжения соединены с первым входом реобразователя 36 фазо-импульсно-модулированных сигналов в широтно-импульсно-модулированный являющегося составной частью блока ключей переменного тока и гальванически развязанных источников широтно-импульсного напряжения, запирающего и отпирающего напряжения, причем выход последнего подключен к силовым транзисторам выходного каскада. Этот же выход опорного генератора 33 через ключ переменного тока в фазе подключен ко второму входу преобразователя 36, этот же гальванически развязанньш выход генератора 33 через другой ключ переменного тока подключен к противофазе также по второму входу преобразователя 36, выход фазосдвигающего устройства (транзистора 11 через третий ключ переменного тока подключен также ко второму входу преобразователя 36, а управляющие входы ключей переменного тока подключены к выходам комбинационной схемы 7. Устройство также упрощается, есИ выход Х2 порогового усилителя 5 ((Jftfr.l) является выходом комбинационой схемы 7 (43 и 44, фиг.5), а таке соединен со входом элемента НЕ 37 одним из входов элемента 42. Выод XI порогового усилителя 6 подклюается, ко входу элемента 38 и к другоу входу элемента 42. Выход элемента Е 37 является выходом комбинационой и подключен к одному из ходов элемента НЕ 4I, к другому его ходу подключен выход элемента НЕ 38. Выход элемента 41 является выходом комбинационной схемы 45. Соединив его через элемент НЕ 40, получают выход 46. Выход элемента 42- это выход комбинационной схемы 47. Соединив его с входом элемента НЕ 39, получают на его выходе выход комбинационной схемы 48. Выходы комбинационной схемы соединены с управляющими входами соответствующих ключей переменного тока (фиг.1 и 4). Инвертор работает следующим образом. Считают, что сигнал с выходу схемы 2 сравнения имеет синусоидаль ную форму. Генератор 1 формирует эталонное синусоидальное напряжение, которое через схему 2 сравнения(где формируется разностный сигнал в результа сравнения эталонного сигнала и выходного) поступает на вход выпрямителя 3. С выхода выпрямителя получе ное напряжение (модуль синуса возд ствует на вход широтно-импульсного модулятора 4, который имеет четыре гальванически развязанных выхода (гальванически развязанные выходы можно осуществить, используя, напри мер оптроны, либо воспользоваться схемой, приведенной на фиг.4), подключенных через коммутирующие цепи ключей переменного тока к базам силовых транзисторов 9-12. Пороговые усилители 5 и 6 из напряжения синусоидальной формы с выхода эталонног генератора и схемы 2 сравнеьшя формируют прямоугольное напряжение. Сформированные прямоугольные напряжеьшя с выходов усилителей 5 и 6 поступают на входы комбинационной схемы 7, которая своими выходами подключена к управляющим входам 1шю чей переменного тока блока 8. Допустим, преобразователь работа на емкостную нагрузку холостой ход В момент времени от О до t (см.фиг. происходит заряд выходного конденса тора от источника 31. Заряд конденс тора происходит по синусоидальному закону широтно-импульсным сигналом. Путь протекания тока через конденса тор в это время обеспечивается схемой, приведенной на фиг,За. Транзис тор 9 работает в режиме широтно-импульсной модуляции, транзисторы 10 и 11 закрыты, а транзистор 12 откры В это время от О до t. происходит заряд конденсатора, но заряд с како то конечной скоростью, следовательн 58 разностьмежду опорным и выходнтлм сигналомположительна, положителен в это жевремя и ток через конденсатор. В момент времени t напряжение на конденсаторе достигает максимального значения, и нет пути для прохождения через него тока, второй в этот момент меняет знак (ток в емкостной нагрузке опережает напряжение. Следовательно, в интервале t.- 1„ напряжение на конденсаторе больще, чем напряжение опорного генераторами, чтобы не было искажений в выходном напряжении при смене знака, конденсатор разряжается на источник 31, При этом имеет место замещение схемы (см.фиг.35), где транзистор II работает в режиме широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону. При этом транзисторы 9 и 10 закрыты, а транзистор 12 открыт. В момент времени t напряжение на конденсаторе становится равным нулю и до момента времени tj, когда знаки напряжения опорного генератора и разностного напряжения совпадают, происходит перезаряд конденсатора от источника 31 в другом направлении, при этом транзистор 10 работает в режиме широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону, транзисторы 9 и 12 закрыты,а транзистор П открыт. В момент времени tij происходит переключение схемы для обеспечения проте кания тока конденсатора, который меняет знак, при этом транзистор 12 работает в режиме широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону, транзисторы 9 и 10 закрыты, а транзистор 11 открыт. Аналогично работает схема в том случае, если заряд конденсатора осуществляется через транзисторы 12 и 10, а разряд - транзисторами 9 и 11. Напряжения, иллюстрирующие работу преобразователя на холостом ходу, приведены на ймг.2, где обозначено: &U(t) - разностное напряжение: (t) - напряжение на выходе эталонного генератора; Xl(t)2(t) - напряжения на выходе пороговых усилителей 5 и 6} YlnjY2n,Y3h- напряжения на выходе схемы 7 где h 9,10,11,12 - номера транзисторов; U5 9-lfc3ia - напряжение на базе транзисторов 9-12: и (t) напряжение в диагонали мостового выходного каск да; напряжение на конденсаторе 18. Время t (т.е. начало появления ограничения величины напряжения на уровне Uf зависит от величины индуктивности L, . 1 В качестве источников отпирающего и запирающего и гальванически развязанных источников широтно-импульсномодулированного сигнала с ключами переменного тока может быть применено устройство, приведенное на фиг.4 Если на управляющие входы 51 и 52 кл чей переменного тока подается запира ющее напряжение, а на вход 53 ключа пер менного тока - отпирающее, то ко вто рому входу преобразователя 36 прикла дывается фазо-импульсно-модулированное напряжение. В результате этого, на выходе преобразователя 36 (т.е. всего устройства 35) формируется широтно-импульсно-модулированное напряжение дпя управления силовым транзистором вьпсодного каскада. Если на входы 52 и 53 ключей подается за,.пираклцее напряжение, а на выход 51 ключа - отпирающее, то ко второму входу преобразователя 36 подключается источник со сдвигом фазы на 180° относительно исходного прямоугольного напряжения, поданного на первый преобразователя 36, а на выходе этого преобразователя формируется запирающее напряжение. Если на входы 51 и 53 ключей переменного тока с выходов комбинационной схемы подается запирающий сигнал, а на вход 51 ключа - отпирающий, то ко второму входу преобразователя 36 прикладывается прямоугольное напряжение в фазе с напряжением на первом входе преобразователя 36, следовательно, на вькоде преобразователя 36 формируется отпирающее силовой транзистор напряжение. ючи переменного тока со входами 51,52 и 53 можно выполнить по известным схемам, например как по. казано на фкг, Преобразователь 36 фазо-импульсно-модулированного напряжения в широтно-импульсно-модулированное можно вьтолнить с использов нием известных схем, например как показано на фиг.5, Если задать силовым тргшзисторам 9 и П СФИГ.1) такой режим работы 6510 чтобы эти транзисторы заряжали конденсатор I8 в режиме пшротно-импульсной модуляции от источника 31 и разряжались на него, то комбинационная схема имеет вид, приведенный на фиг.5, Прямоугольные напряжения с выходов XI, Х2 пороговых усилителей 5 и 6 поступают на входы комбинационной схемы 7, где выполняются операции инвертирования и операции И-НЕ над этими сигналами, в результате чего формируются управляющие сигналы на выходах комбинационной схемы. Выходы комбинационной схемы подключены к соответствующим управляющим входам ключей переменного тока, которые, управляя моментами включения отпирающих, запирающих и широтно-импульсно модулированных напряжений, обеспечивают формирование неискаженного синусоидального напряжения на выходе инвертора при любых видах нагрузки. КПД данного инвертора повышается за счет устранения сквозных токов. Нет такого момента времени, когда бы в широтно-нмпульсной модуляции работали бы два транзистора (9 и 12, или iO и П). Всегда, если один транзистор работает в режиме ши- ротно-импульсной модуляции, то другой закрыт. КПД повьшается также за счет того, что в режиме широтно-импулъсной модуляции всегда работает только один из четырех транзисторов, т.е. уменьшены потери на переключение. Устойчивость инвертора повьшается вследствие заложенного принципа работы: при превышении выходного напряжения опорного сигнала устройство отключается от источника питания и поддерживает форму и амплитуду выходного сигнала за счет энергии, записанной в выходном LC-фильтре. Ошибка в выходном сигнале относительно опорного возможна только до одного знака, Как только знак изменяется, схема переключается так, чтобы ошибка была опять прежнего знака, или же стремилась к нему. Если.в какой-то момент времени возникает колебание и амплитуда выходного напряжения превышает амплитуду опорного напряжения, выходной мостовой каскад отключает нагрузку от источника питания, и амплитуда форма напряжения поддерживается за счет энергии, запасенной в выходом фильтре, т.е. колебания будут затухаюпще. Процесс этот ускоряется из-за активного вмешательства в процесс рекуперации энергии LC-фильтра. Данное свойство системы позволяет повысить коэффициент усиленияв замкнутом контуре регулирования и, тем самым, увеличить стабильность выходного напряжения. Все это позвЬляет значительно улучшить качество и энергетические характеристики источников электропита ния промышленной и специальной аппаратуры в автономных объектах с широким диапазоном изменения нагрузки. Формула изобретения 1. Инвертор с синусоиадальной формой выходного напряжения, содержащий эталонный генератор, подключенный к одному из входов схемы сравнения, другой вход которой подключен к выходным выводам инвертора, а ее выход соединен со входом широтно-импульсного модулятора,а также источники запирающег о и отпирающего напряжений, которые вместе с гальванически развязанными выходами модулятора подключены к эмитферам силовых транзисторов выходного каскада, выполненного по мостовой схеме, причем между выводами переменного тока этого моста, образую щими выходные выводы инвертора, подключен LC-фильтр, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и устойчивости, дополнительно введены.выпрямитель, два пороговых усилителя, комбинационная схема, имеющая два входа, и управляемые ключи переменного тока, причем выход эталон ного генератора и схемы сравнения co динены через пороговые усилители со входами комбинационной схемы, выходы которой подключены к управлякицим вхо дам соответствующих ключей переменно го тока, силовые выводы последних включены между источниками отпиракяде го и запирающего напряжений, гальван чески развязанными выходами щиротноимпульсного модулятора и базами тран зрсторов выходного каскада, а вход широтно-импульсного модулятора через введенный выпрямитель подключен к выходу схемы сравнения. 2. Инвертор по П.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения, выход вьшрямителя подключен к управляющему входу введенного фазоимпульсного модулятора, выполненного в виде опорного генератора прямоугольного напряжения и фазосдвигающего узла, причем гальванически развязанные выходы опорного генератора прямоугольного напряжения соединены с первым входом соответствующих вве- . дениых преобразователей фазо-импульсho-модулированных сигналов в широтно-импульсно-модулированные, выходом соединенных с базами соответствующих силовых транзисторов выходного каскада, выход опорного генератора прямоугольного напряжения через ключ переменного тока в фазе гальванически развязанные выходы эталонного генератора через другой ключ переменного тока в противофазе и выход фазосдвигающего узла через третий ключ переменного тока подключены ко второму входу указанных преобразователей, а управляющие входы ключей переменного тока подключены к соответствующим выходам комбинационной схемы. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Японии № 51-35683, кл. Н 02 Р 13/20, 1976. 2.Патент ФРГ № 2543776, кл. Н 0 Р 13/24, 1977. 3.Малышков Г.М. и др. Однофазные инверторы в классе Д. - Электронная вып.Советское в автоматике техника радио. 1976. 4. Малышков Г.М. и др. Преобразователь постоянного напряжения в переменное, работающий в классе Д. Сб. Повьшение эффективности устройств в преобразовательной технике, Киев, Наукова Думка, ч.4, С.П2-П7, рис.1-2, 1974.

С:

&i/(t)Uiil

)

dOnii

X2(i:)

r.

УЗ

10

2 У2п,

i1

11

У},2

S.

даь

Os.

3ff

3/5

Os.

jmr

3}2

Риг.2

8A7465

Фиг.З

52 о

53

Г

.J

#3(УЗу)