Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальной формы Советский патент 1982 года по МПК H02M7/537 

I

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к преобразователям постоянного напряжения в переменное, Такие преобразователи широко применяются в электроприводе для питания датчиков и других устройств автоматики и телемеханики.

Известны полупроводниковые преобразователи постоянного напряжения в переменьюе напряжение синусоидальной формы, в которых формирование выходного напряжения осуществляется путем двухполярной широтно-импульс ной модуляции. Для таких преобразователей характерно высокое качество выходного напряжения (низкий коэффициент гармоник) после фильтрации, относительно высокий КПД, простота построения силовых каскадов и управления ими.

Широкое распространение получили преобразователи, у которых модуляция производится по синусоидальному закону г 1J.

Известны преобразователи с двухполярной модуляцией, работающие по принципу полуслежения и слежения за опорным (эталонным) сигналом. В преобразователе с полуслежением устройство управления состоит из источника опорного синусоидального напряжения, генератора тактовой частоты, интегратора-сумматора и двух пороговых- элементов, совместно с генератором так10товой частоты управляю 1ИХ работой выходного инвертора L21.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является преобразователь, содержащий выходной

15 инвертор, согласующий каскад и схему управления, включающую в себя источник опорного напряжения, пороговый элемент и интегратор, вход которого подключен к последовательно сое20диненным источнику опорного напряжения и обмотке обратной связи выходного трансформатора инвертора, а выход - к входу порогового элементаC3i.

Недостатком известного преобразователя является трудность обеспечения глубины модуляции, что не по; зволяет получить оптимальные фильтоы. Кроме того, не обеспечивается высокая стабильность выходного напряжения при переменной нагрузке.

Цель изобретения - улучшение мас согабаритных характеристик и повышение КПД путем стабилизации частоты и увеличения глубины модуляции,

Указанная цель достигается тем, что в схему управления преобразователя введен дополнительный интегратор напряжения, вход этого интегратора подключен к обмотке- выходного трансформатора, выход - к второму входу порогового элемента, параллельно конденсатору интегратора включен транзисторнь|й ключ, на третий . вход порогового элемента через диод подключен один конец дополнительной обмотки трансформатора, другой конец которой подсоединен к точке соединения источника опорного напряжения и обмотке обратной связи трансформатора согласно с последней, параллельно входу порогового элемента, связанному с выходом основного интегратора, подключен другой транзисторный ключ, при этом к управляющим входам указанных транзисторных ключей подключены противофазно обмотки выходного трансформатора.

На фиг. 1 приведена схема преобра зователя; на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие работу схемы.

Преобразователь состоит из силового инвертора и схемы управления. Инвертор выполнен по двухтактной схеме с выводом средней точки и содержит выходной трансформатор 1 и транзистоные ключи 2 и 3. Однако инвер-тор может, быть выполнен и по любой другой схеме. Инвертор подключен к входным выводам источника питания.

Схема управления содержит источник 4 опорного напряжения синусоидалной формы, интегратор 5, дополнительный интегратор 6 и пороговый элемент 7- Интеграторы выполнены на базе интегральных операционных усилителей с емкостной обратной связью, хотя возможно применение любых интеграторов напряжения, например резистивно-емкостных цепочек. Одна клемма источника опорного напряжения подключена к общей шине схемы управл/

ния,другая - к общей точке согласно включенных обмоток 8 и 9 выходного трансформатора 1. Вторым концом обмотка 9 подключена к входу интегратора 5, а обмотка 8 через диод 10 к входу порогового элемента 7- Число витков обмотки 8 и 9 одинаково. Выход интегратора 5 через резистор 11 подключен на вход порогового элемента 7, который через транзистор 12 подключен к общей шине схемы управления. Управляющий вход транзистора 12 подключен к обмотке 13 трансформатора. К входу дополнительного интегратора 5 подключена обмотка 14 трансформатора 1. Параллельно конденсатору дополнительного интегратора 6 подключен разряжающий транзистор 15 управляющий вход которого подключен к обмотке 16 трансформатора 1. Обмотки 13 и 16 подключены к базам соответствующих транзисторов противофазно. Выход дополнительного интегратора 6 подключен к входу порогового элемента (ПЭ), в качестве которого использовдн операционный усилитель с положительной обратной связью, обладающий релейной характеристикой с гистерезисом (вид характеристики приведен на фиг. 2а ). Один порог срабатывания (Unpp ) равен нулю, другой (Unopa ) отличен от нуля. Выход ПЭ подключен к согласующему каскаду 17, который согласует по мощности и полярности выход порогового элемента и управляющие входы транзисторов 2 и 3.

Преобразователь работает следую-, щим образом.

Когда открыт транзистор 2 и закрыт транзистор 3 инвертора (интервал t/i), разряжающий транзистор 15 заперт напряжением на обмотке 16, происходит интегрирование напряжения (положительного) обмотки 1,, приложенного к входу дополнительного интегратора 6. Выходное напряжение дополнительного интегратора 6 изменяется в соответствии с выражением

-t Uy(t) -ЗЛ K(Uon -AUo)dt,(l)

в

где S - коэффициент передачи дополнительного интегратора 6;

K V/4/I/O - коэффициент трансформации;

Wof число витков первичных обмоток трансформатора 1;

W/( - число витков обмотки . AUp - падение напряжения на силовых транзисторах и первичной обмотке инвертора.

Кривая изменения напряжения Uu-t при Uffl const показана на фиг. 24 . Вход порогового элемента, подключенный к интегратору 5, в течение интервала t, зашунтирован открытым транзистором 12. Поэтому на пороговом элементе воздействуют отрицательное напряжение Ui и положительное напряжение, приложенное через диод 10 и равное алгебраической сумме напряжения на обмотке 8 (U-f) и опорного напряжения (Upj). Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы напряжение на обмотке 8 по величине всегда было больше опорного напряжения {/U/J/ /Uon/); В этом случае величина (U;| Uon ) в интервале t положительна при любой полярности Ugn

Величина напряжения Уд определяется выражением

U-, K2.(Un - ), . где K2 W2/Wo - коэффициент трансформации;W - число витков обмоток

и 9 трансформатора. Пока выполняется условие

Uocil им1

пороговый элемент находится в состоянии, соответствующем верхней ветви характеристики (фиг. 2а). Положительное напряжение на выходе порогового элемента через согласующий каскад поддерживает открытым транзистор 2 и закрытым - транзистор 3 инвертора.

На входе интегратора 5 в течение интервала t действует отрицательное напряжение, равное разности напряж ения на обмотке 9 (также U) и напряжения Uan . Выходное напряжение этого интегратора изменяется по закону . t

UuiCt) S f K2.(Uu - ДУо) в + Uua{0), (2)

где Sz - коэффициент переда

чи интегратора 5 Uua(n)Uui() -значение и. в нйчале интервала

Диграмма изменения напряжения U показана на фиг. 2Д.

Когда при t tf напряжение (J достигается .по абсолютной величине значения (U(j(). т-е. наступает, равенство

U;r(t)-Uoa(t)f UuHtJ

0,(3)

ПЭ срабатывает, запирает транзистор и отпирает транзистор 3, происходит смена полярности напряжений на всех обмотках трансформатора 1 и на нагрузке k (фиг. 2,). Формирование интервала t закончено, начинается интервал tj.. .

Из соотношений (1) и (З) имеем

S / K(Uu-AUjdt

- AUc,)Uon (t,) (k)

Напряжение на выходе интегратора в конце интервала t равно

-Ь

Uui{t) Sa У , - AUo) О

i - + Uoi(O)(5J

После переключения схемы транзистор 15 отпирается и разряжает конденсатор дополнительного интегратора 6, на выходе последнего устанавли вается нулевое напряжение. Диод 10 запирается разностью напряжений U и DOCX Транзистор 12 также запирается и выход интегратора 5 подключается на вход порогового элзмента.

На входе и-нтегратора 5 действует сумма напряжений U и Uon , эта сумма положительна, так как U,t lUm) .

Выходное напряжение интегратора 5 {изменяется согласно выражению

Uu2(t) -52 rCK2(Uu - лУо) +

i:

+ Ubnldt + Uu2.(t4)

Когда это напряжение достигается значения . срабатывает, запирает транзистор 3 и отпирает транзистор 2 инвертора. Формирование интервала t2 закончено.

Далее описанный процесс циклически повторяется.

В конце интервала ta. i.+t,

Uu() .() + t-i

;+ Uofrldt tUtJ2.(t) (7) Поскольку Ui)2(t4+-t2.)Uui(0) Ч1пор2. О выражений (5) и (7) имеем / LK2(Ur,-u.Uo) - Uotjdt / K2.(U(-&Uo) + Uotildt , (8 . t. где Т tyj + t2 - период модуляции. Среднее значение выходного напр жения преобразователя за период мо дуляции Т равно 1/д t-A. изыу.о. (Ua -&Uo)dt - /(Un - AUjdt , где K2 W3/Wc, - коэффициент трансфо мации ; Wj г число витков выходно обмотки трансформат ра. Преобразовав выражение (8) /(Uu -i.Uo)dt ()dt -L . K L/Uon fj Uondt t/i левую часть полученного и подставив (9), получим уравнения в TT: Uan.cp., ых.й - K где Uon.cp. -jJUondt - среднее значение опорного напряжения за период модуляции. / Из последнего выражения видно, что среднее за период модуляции зна чение выходного напряжения преобразователя пропорционально среднему значению опорного напряжения. Поскольку Uoq изменяется по синусоудальному закону (фиг. 2,S), то и среднее за интервал Т значение выхо ного напряжения изменяется по синус идальному закону (фиг. 2( , пунктир Из выражения (10) также видно, что выходное напряжение не зависит от величины напряжения питания, бла годаря чему обеспечивается стабилизация даже в случае, если опор 68 ное напряжение имеет постоянную величину, т.е. обратная связь по выходному напряжению отсутствует. Кроме того, на величину выходного напряженйя не влияют падения напряжения на силовых транзисторах инвертора и на первичных обмотках трансформатора, учтенные параметром aUj. Если же организовать контур обратной связи и воздействовать на величину UQCV в функции отклонения иеых от номинального значения, то стабильность преобразователя значительно повысится. Следует отметить, что на стабильность выходного напряжения не влияет изменение параметров схемы управления, в частности интеграторов и порогового элемента. Поскольку . ftp не зависит от величины DU, то в предлагаемом преобразователе форма выходного напряжения мало зависит от уровня и формы пульсаций напряжения питания. Это особенно важно, если преобразователь питается от выпрямителя с большими пульсациями напряжения или от источника с высоким уровнем помех. Период модуляции Т приближенно можно определить следующим образом. Если положить, что UUL const, в течение Т величина опорного напряжения в момент времени t t/j мало отличается от его среднего значения за период модуляции -Uan (t) f Uon.cp,,. то из выражения С)получим Ki(Urt - u,Ua)4- Uon.cp ,, -дУо) тех. же допущенных Ke(Ufr-uJJa) - Uon.c. K2.(Uii -дУоп) Uoa.c-9. (11) выражение для С учетом примет вид Ка.(Ц|Г.-&Цо) - Цоп.д. S K lUp-дУ.) (13) получим Тогда из (11)и 2К2. Т t 4- tg Таким образом, период модуляции определяется только параметром схемы и не зависит ни от опорного, ни от входного напряжения. Это является существенным преимуществом изобретения, поскольку представляется возможным использовать для выделения основной и подавления высших гармоник выходного напряжения оптимальный фильтр.

991

Работа преобразователя обеспечивается в широком диапазоне параметров всех элементов. Единственным ограничением является указанное выше условие: lK2(Un-&Uo ) j ( U(xj |. Однако, если величина Uori близка к величине K2L(Uo - iUo), то схема работает нормально и все полученные соотношения выполняются. Это позволяет довести амплитуду опорного напряжения до значения, мало отличающегося от K2(Uy. - uUo). Диапазон изменения интервалов t;|; и t в процессе формирования синусоиды в этом случае близок к периоду модуляции Т, что видно из выражений (П) и (13), и принципиально может быть достугнут теоретический предел глубины модуляции. Это позволяет максимально использовать по мощности выходной каскад и получить высокий КПД преобразования.

Таким образом, предлагаемый преобразователь практически не отличаясь по сложности от известного (обе схемы имеют одинаковое количество функциональных элементов), лишен главных его недостатков. В нем обеспечивается постоянство частоты мо дуляции и максимально возможная глубина модуляции. Это, в свою очередь, позволяет значительно улучшить массогабаритные показатели преобразователя за счет оптимизации выходного фильтра и повысить КПД. Кроме того, в предлагаемом преобразователе обеспечивается хорошее воспроизведение на выходе формы опорного напряжения и не представляет сложность введения отрицательной обратной связи непОcpieдcтвeннo п.о напряжению на нагрузке, если последняя подключена к инвертору через фильтр. Формула-изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальной

610

формы, содержащий выходной инвертор, согласующий каскад и схему управления, выполненную на источнике опорного напряжения, пороговом элементе и интеграторе, вход которого подключен- к последовательно соединенным источнику опорного напряжения и обмотке обратной связи выходного трансформатора инвертора, а выход - к входу порогового элемента, о т л и - . чающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных характеристик и повышения КПД путем стабилизации частоты и увеличения глубины

модуляции, в схему управления введен дополнительный интегратор напряжения, вход этого интегратора подключен к обмотке выходного трансформатора, выход - к второму входу порогового элемента, параллельно конденсатору интегратора включен транзисторный ключ, на третий вход порогового элемента че.рез диод подключен один конец дополнительной обмотки трансформатора,

другой конец которой согласно с обмоткой обратной связи подключен к точке ее соединения с источником опорного напряжения , параллельно входу порогового элемента, связанному с выходом основного интегратора, подключен другой транзисторный ключ, при этом к управляющим входам указанных транзисторных ключей подключены противофазно обмотки выходного трансформатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Сборник Проблемы преобразовательной техники. К., Наукова дум1979, вып. 5, с. 175.

ка

2. Сборник Устройства преобразовательной техники. К., 1970, вып., с. 113-125.

3. Патент США № 3710229, кл. Н 02 М 1/12, 1973.

ГЧ

иг.1

nop.