Преобразователь постоянного напряжения в квазисинусоидальное Советский патент 1982 года по МПК H02M7/515 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНОЕ

1

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано для электроснабжения современных вычислительных комплексов, автоматических систем управления, связи и навигации, предъявляющих повышенные требования к стабильности частоты выходного напряжения преобразователя в диапазонах низких и инфранизких частот при минимальном уровне излучаемых радиопомех.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий два генератора колебаний, выходные сигналы которых складываются или вычитаются для получения результирующего выходного напряжения 1.

Известен способ управления преобразователем с промежуточным звеном повышенной частоты на двух инверторах с выходным непосредственным преобразователем частоты, обеспечивающий синусоидальную форму выходного напряжения с регулируемыми от нуля параметрами (амплитуды, чатоты) 2.

Известны также устройства, реализующие данный способ, содержащие два инвертора резонансного типа с выходными трансформаторами, выходные обмотки которых подключены к нагрузке через реверсивный мост 3 и 4.

Известные устройства позволяют полу чить на выходе преобразователя практически синусоидальное напряжение, регулируемое по частоте и величине от нуля до номинального значения. Для обеспечения работоспособности такого рода устройств в

10 диапазонах низких и инфранизких частот должны быть приняты дополнительные меры, обусловленные тем, что в колебательных инверторах, составляющих основу преобразова теля, при изменениях нагрузок (в данном случае происходящих из-за амплитудной

модуляции) меняется добротность RLC контура, при этом коммутация тиристоров может нарущиться. Известно, что параллельный конденсатор, подключенный к первичной обмотке выходного трансформатора колебательного инвертора позволяет обеспечить достаточную добротность контура при изменениях нагрузки, однако при уменьшении величины активной составляющей тока нагрузки резонансная частота контура возрастает и выходное напряжение инверторов значительно повышается. Известно также, что такое повышение напряжения можно ограничить, если дополнительную обмотку выходного трансформатора инвертора через выпрямительный мост и дроссель подключить к шинам источника питания 3. Как только напряжение на входе выпрямительного моста превысит напряжение питания, диоды начнут пропускать ток от инвертора к источнику. Применение таких мер в преобразователях на двух колебательных инверторах с выходным реверсивным выпрямителем 4 и 5. усложняет устройство, снижает надежность его работы, увеличивает массу и габариты преобразователя. Наиболее близким по технической сущности является преобразователь с промежуточным звеном повышенной частоты, содержаш,ий два инвертора с выходными трансформаторами, пары согласно-последовательно соединенных вторичных обмоток которых подключены к входу демодулятора (реверсивного моста) 5. Недостатками устройства являются пониженная коммутационная устойчивость инверторов и вследствие этого низкая надежность работы преобразователя. Применение известных мер 3 и 4 для устранения этого недостатка усложняет устройство. Цель изобретения - упрошение и повышение надежности работы преобразователя, Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения в квазисинусоидальное, содержашем два инвертора резонансного типа с выходными трансформаторами, пары согласно-последовательно соединенных основных вторичных обмоток которых подключены к входу каждого трансформатора через выпрямитель и дроссель связана с шинами питания инверторов, указанные дополнительные обмотки трансформаторов соединены между . собой встречно-последовательно и подключены к входу обш,его выпрямителя. На фиг. 1 приведена схема преобразователя постоянного напряжения в переменное синусоидальное; на фиг. 2 - временные диаграммы, объясняюшие принцип работы устройства. Преобразователь содержит резонансные инверторы 1 и 2 с выходными трансформаторами 3 и 4, основные вторичные обмотки 5, 6 и 7, 8 которых соединены согласно-последовательно, а дополнительные обмотки 9, 10 встречно-последовательно, выпрямительный мост 11, дроссель 12, демодулятор 13, нагрузку 14. Преобразователь работает следуюшим об разом. Инверторы 1 и 2 работают на повышенной частоте (порядка 5 кГц), причем частота (J( первого инвертора отличается от частоты (2 второго инвертора на величину, равную удвоенной выходной частоте преобразователя. При сложении выходных напряжений 15 и 16 высокочастотных инверторов 1 и 2, работающих на близких частотах, мгновенные значения которых имеют вид соответственно, n, Uni sincJit n2 UT7iSincJ2t на парах согласно-последовательно соединенных вторичных обмотках 5, 8 и 6, 7 трансформаторов 3, 4 получим напряжение 17 UTP 2Unisin()l cos()t, где UTP - суммарное выходное напряжение 17, снимаемое с обмоток трансформаторов, представляет собой высокочастотное синусоидальное напряжение с угловой частотой W . Его амплитуда изменяется по косинусоидальному закону со значительно меньшей угловой частотой (фиг. 2,позиция 17). Это напряжение 17 реверсивно выпрямляется (фиг. 2, позиция 18) посредством демодулятора 13 и поступает на нагрузку 14. Одновременно на встречно-последовательно соединенных дополнительных обмотках 9 и 10 трансформаторов 3 и 4 формируется напряжение, представляющее собой высокочастотное синусоидальное напряжение, амплитуда которого изменяется по синусоидальному закону с частотой, равной выходной частоте преобразователя и сдвигом фазы на 90° по отношению к огибающей напряжения 18. График этого напряжения представлен на позиции 19, фиг. 2. Специфика работы преобразователя заключается в том, что из-за модуляции напряжения (фиг. 2, позиции 17-20) амплитудное значение эквивалентного тока нагрузки каждого инвертора будет периодически меняться по величине от нуля до номинального значения. Кроме этого, вне зависимости от характера нагрузки преобразователя, которая вносит постоянный сдвиг, эквивалентный ток нагрузки будет иметь как емкостной, так и индуктивный характер в течение полупериода выходного напряжения преобразователя. Для пояснения сущности протекающих процессов рассмотрим электромагнитные процессы в каждом из инверторов. Число витков обмоток 9 и 10 выбирают таким образом, что основную часть полупериода выходного напряжения преобразователя вносимое в колебательный RLC - контур инвертора активное сопротивление имеет существенную величину, выпрямительный мост закрыт и пульсирующий ток, потребляемый от источника, протекает по цепям колебательного инвертора, ответвляясь в нагрузку. В моменты минимума выходного напряжения 18 преобразователя напряжение 20 на выходе выпрямительного моста 11 имеет максимальное значение по двум причинам:

из-за сдвига ваз на 90° между напряжениями 18 и 20 и из-за возрастания амплитуды выходного напряжения 15 и 16 инверторов 1 и 2, работающих в режимах, близких к XX. Среднее значение потребляемого от источника тока практически равно нулю, при уменьшении тока нагрузки каждый инвертор загружается выпрямительным мостом, при увеличении тока нагрузки выпрямитель сбрасывает ток.

В моменты включения в работу выпрямительного моста уменьшение вносимого активного сопротивления нагрузки еще незначительно и большая часть энергии, накопленной в первую часть полупериода несущей частоты в реактивных элементах инвертора, отдается в нагрузку. Неиспользованная часть энергии в течение второй части полупериода возвращается в источник, уменьшая долю потребляемого от источника тока.

Стабилизация нагрузочной характеристики каждого инвертора благоприятно сказывается на динамических характеристиках преобразователя, улучшает его коммутационную устойчивость и, в результате, повышает надежность его работы.

Дроссель 12 используется для уменьшения влияния цепей отвода (дополнительные обмотки 9 и 10 трансформаторов 3 и 4 выпрямительный мост 11, дроссель 12) избыточной электромагнитной энергии инверторов 1 и 2 на источник питания и инверторы (предотвращает искажение формы выходного напряжения преобразователя).

Для обеспечения работы преобразователя на нагрузку активно-индуктивного характера ключи переменного тока демодулятора 13 могут быть выполнены в виде встречнопараллельно включенных тиристоров (фиг. 1), транзистора, включенного в диагональ постоянного тока диодного моста, других известных схемотехнических решений, представляющих различные комбинации транзисторов и диодов.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет кроме вышесказанного, во-первых.

упростить известное решение количественно, т.е. использовать один выпрямительный мост и дроссель вместо двух, во-вторых, существенно уменьшить величину пульсаций потребляемого от источника тока и более равномерно загрузить диоды выпрямительного моста, поскольку моменты возврата избыточной энергии каждым инвертором разнесены во времени.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в квазисинусоидальное, содержащий два инвертора резонансного типа с выходными трансформаторами, пары согласно-последовательно соединенных основных вторичных обмоток которых подключены к входу демодулятора, а дополнительная вторичная обмотка каждого трансформатора через выпрямитель и дроссель связана с шинами питания инверторов, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения надежности работы, указанные дополнительные обмотки трансформаторов соединены между собой встречно-последовательно и подключены к входу общего выпрямителя.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Великобритании № 1088482, кл.(Н 02 М)Н 2 F, 1965.

2.Авторское свидетельство СССР № 604122, кл, Н 02 Р 13/18, 1978.

3.Патент Японии № 47-26257, кл. 5606, С (Н 02 М), 1972.

4.Мельничук Л. П., Новосельцев А. В., Дыхненко Ю. И. Системы управления полупроводниковыми модуляционными преобразователями с промежуточным звеном высокой частоты и синусоидальной формой выходного напряжения. Препринт. Киев, изд-во АН УССР, 1979, с. 4, рис. 1.

5.Мельничук Л. П. Однофазный инвертор низкой частоты. - В кн. Проблемы технической электродинамики, вып. 45. Киев, «Наукова думка, 1974, с. 71, рис. 3 (прототип) .