Преобразовательная установка Советский патент 1982 года по МПК H02M7/537 H02M7/48 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

1

Изобретение относится к преобразовательной техиике и можетбыть .использовано в различного рода энергосистемах (например, в энергосистемах автономных объектов) для преобразования напряжения первичного источника электроснабжения в постоянное напряжение требуемого уровня.

Известны преобразовательные установки, содержащие низкочастотный выпрямитель, низкочастотный сглаживающий фильтр, модулятор, высокочастотный выпрямитель, высокочастотный сглаживающий фильтр и систему управления, обеспечивающую заданный алгоритм переключения ключей модулятора (1J и 2.

Недостатком известных устройств являются низкие энергетические характеристики, обусловленные повышенными динамическими потерями в ключах модулятора, нагруженного на выпрямитель со сглаживающим фильтром на выходе.

Из известных преобразовательных установок наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является преобразовательная установка, которая содержит соединенные последовательно низкочастотный выпрямитель, низкочастотный сглаживающий фильтр, модулятор, выполненный в виде N однофазных инверторов, нагруженных на трансформаторы, выходные обмотки которых соединены последовательно и образуют общий выход модулятора, высокочас5 тотный выпрямитель и высокочастотный сглаживающий фильтр, выход которого образует общий выход преобразовательной установки, а также систему управления, содержащую блок формирования задающих напряжений,

,Q связанный с ним фазосдвигаюЩий блок и усилительно-развязывающий узел, выполненный в виде 2N оконечных усилителей мощности с трансформаторным выходом и связанных с управляющими входами силовых ключей модулятора 3.

5 Недостатком известной преобразовательной установки являются низкие энергетические характеристики, обусловленные повышенными динамическими потерями в ключах модулятора, возникающими при демодуляции

20 его выходного напряжения, формируемого в вйДе прямоугольного импульсного напряжения. Повышенные динамические потери в ключах вызваны возникновением режимов кратковременного короткого замыкания для модулятора в моменты времени коммутации тока вентилей высокочастотного выпрямителя. При этом силовые транзисторы, на которых, как правило, выполняются высокочастотные модуляторы, переходят из режима насыщения в активный режим работы, и на них выделяется значительная мгновенная мощность. Цель изобретения - улучшение энергетических характеристик путем уменьшения динамических потерь. Поставленная цель достигается тем, что преобразовательная установка, содержащая соединенные последовательно низкочастотный выпрямитель, низкочастотный сглаживающий фильтр, модулятор, выполненный в виде N однофазных инверторов, нагруженных на трансформаторы, выходные обмотки которых соединены последовательно и образуют общий выход модулятора, высокочастотный выпрямитель и высокочастотный сглаживающий фильтр, выход которого образует общий выход преобразовательной установки, а также систему управления, содержащую блок формирования задающих напряжений, связанный с ним фазосдвигающий блок и усилительно-развязывающий узел, выполненный в виде 2N оконечных усилителей мощности с трансформаторным выходом и связанный с управляющими входами силовых ключей модулятора, дополнительно снабжена двумя N-канальными распределителями импульсов, входы одного из которых подключены к выходам блока формирования задающих напряжений, другого - к выходам фазосдвигающего блока, а выходы - обоих к соответствующим входам усилительно-развязывающего узла. При этом каждый N-канальный распределитель импульсов выполнен в виде соединенных последовательно схемы удвоения частоты и К-отводной линии задержки, N выводов которой подключены соответственно к тактовым входам N триггеров и, кроме того, выходы К-го триггера соединены с управляющими входами К-1-го триггера, а управляющие входы N-ro триггера связаны с входом N-канального распределителя импульсов, при этом входы схемы удвоения частоты образуют входы N-канального распределителя импульсов, а выходы каждого из N триггеров образуют выходы N-канального распределителя импульсов. На фиг. ,1 представлена структурная схема предлагаемой установки; на фиг. 2 - структурная схема N-канальных распределителей импульсов; на фиг. 3 - структурная схема блока формирования задающих напряжений и фазосдвигающего блока; на фиг. 4 - диаграммы, поясняющие принцип работы установки; на фиг. 5 - диаграммы, поясняющие принцип формирования выходных напряжений блока формирования задакт щих напряжений и фазосдвигающего блока. Преобразовательная установка содержит соединенные последовательно низкочастотный выпрямитель 1, низкочастотный сглаживающий фильтр 2, модулятор 3, выполненный в виде N однофазных инверторов 4, нагруженных на трансформаторы 5, выходные обмотки которых соединены последовательно и образуют общнй выход модулятора, высокочастотный выпрямитель 6 и высокочастотный сглаживающий фильтр 7, выход которого образует общий выход преобразовательной установки, а также систему 8 управления, содержащую блок формирования задающих напряжений 9, связанный с ним фаЗосдвигающий блок 10, и усилительно-развязывающий узел 11, выполненный в виде 2N оконечных усилителей мощности с трансформаторным выходом и связанный с управляющими входами силовых ключей 12 модулятора. В состав системы управления входят также два N-канальных распределителя 13 импульсов, входы одного из которых подключены к выходам блока 9 формирования задающих напряжений, а другого - к выходам фазосдвнгающего блока 10, каждый N-канальный распределитель 13 импульсов (фиг. 2) выполнен в виде соединенных последовательно схемы 14 удвоения частоты и К-отводной лннии 15 задержки, N выводов которой подключены соответственно к такто вым входам N триггеров 16 и, кроме того, выходы К-го триггера соединены с управляющими входами К-1-го триггера, а входы N-ro триггера связаны с входом Н-канального распределителя 13 импульсов. При этом выходы каждого из N триггеров 16 связаны с соответствующими входами усилительно-развязывающего узла 11. Блок 9 формирования задающих напряжений (фиг. 3) выполнен в виде соединенных последовательно задающего генератора 17 и L-отводной линии 18 задержки к входу 19 и выходам, 20-24 которой подключена входами схема 25 совпадення, первые выходы 26 и 27 которой связаны соответственно с входом фазосдвигающего блока 10 и входом синхронизирующего триггера 28 выходы 29 и 30 которого образуют выход блока 9 формирования задающих напряжений. Фазосдвигающий блок Ю выполиен в виде соединенных последовательно генератора 31 пилообразного напряжения, схемы 32 сравнения, на один вход которой поступает управляющее напряжение, первой 33 и второй 34 двухвходовых схем И- НЕ и синхронизируемого триггера 35, выходы 36 и 37 которого образуют выход фазосдвигающего блока 10. Вторые входы первой 33 и второй 34 схем И-НЕ связаны с вторыми выходами 38 и 39 схемы 25 совпадення, а управляющие входы 40 синхронизируемого триггера 35 связаны с выходами снихроннзирующего триггера 28. Рассмотрим принцип работы предложенного технического рещення (для случая, когда модулятор 3 содержит три однофазных инвертора 4). На выходах блока 9 формирования задающих напряжений и фазосдвигающего блока 10 формируются последовательности импульсных напряжений 41, 42 и 43, 44 типа меандр, сдвинутых относительно друг друга на угол f , определяемого как интервал междуфронтом импульсов 41 и 43, 45 - управляющее напряжение. В качестве линейноизменяющегося напряжения может быть использовано пилообразное напряжение 46 либо треугольное напряжение для случая симметричного регулирования выходного напряжения модулятора 3. В предлагаемом техническом рещении при построении высокочастотных распределителей импульсов предложено использование К-отводной линии 15 задержки, как наиболее простого сдвигающего элемента. Практическая реализация К-отводной линии задержки 15 возможна в виде последовательно соединенных микролиний задержки с высокостабильными характеристиками в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. При построении таких распределителей импульсов были рассмотрены несколько вариантов из возможной реализации. Первый и наиболее простой из них заключается в том, что на входы соответствующих К-отводных линий 15 задержки подавались импульсы напряжения последовательностей импульсов 41 и 43 либо 42 и 44 непосредственно с выходов блока 9 формирования задающих напряжений и фазосдвигающего блока 10, а выходы К-отводных линий 15 задержки через развязывающие логические элементы соедииялись с соответствующими усилителями мощноети усилительно развязывающего узла 11. Однако этот варнант оказался неприемлемым из-за возникновения значительной несимметрии импульсов управления (особенно при большом диапазоне изменения температуры окружающей среды), что приводило к появлению выиужденного подмагничивания трансформаторов усилителей мощности. Второй вариант заключается в передаче по К-отводным линиям 15 задержки ШИМнапряжения (импульсного напряжения 47 с выхода схемы 32 сравнения) с последующим подключением к ее выходам триггеров 16. При этом оказалась невозможной передана по линии задержки коротких импульсов (в моменты времени приближения величины управляющего напряжения 45 к нижнему или верхнему уровню линейно-изменяющегося напряжения 46) из-за ограниченной полосы пропускания линии задержки. В третьем варианте, выбранном в качестве основного, на вход К-отводной лннни задержки подаются последовательности импульсов 48 и 49, полученные соответственно из последовательностей 41 и 43 умножением частот последних на 2. При этом создаются условия для неискаженной передачи сигнала по К-отводным лиииям 15 задержки. Последовательность же импульсов управления 50-52 и 53-55, сдвинутых относительно импульсов соответственно 41 и 43, формируют на выходах триггеров 16 с коэффициентом деления 2, подключенных к соответствующим выходам К-канальных линий задержки и синхронизированных между собой. Последовательности импульсов. и через соответствующие усилители мощности усилительно-развязывающего узла 11 поступают на соответствующие ключи 12 однофазных инверторов 4, на выходах которых формируются последовательности импульсных напряжений 56-58, скважность которых зависит от величины управляющего напряжения 45. На выходе модулятора 3 при этом формируется квазисинусоидальное напряжение 59. Использование в качестве сдвигающих элементов К-отводных линий 15 задержки позволяет без особого усложнения схем распределителей получить на выходах последних импульсные напряжения с оптимальным фазовых сдвигом относительно друг друга, обеспечивающим формирование на выходе модулятора 3 при выбранном количестве инверторов 4 (в зависимости от мощности преобразовательной установки) квазисинусоидального высокочастотного напряжения 59 с наилучщим гармоническим составом. Высокочастотное квазисинусоидальное напряжение выпрямляется выпрямителем 6 и после фильтрации поступает на нагрузку. Более подробно рассмотрим принцип формирования напряжений 41 и 42 блока 9 формирования задающих напряжен ни, 43 и 44 фазосдвигающего блока 10. На выходе задающего генератора 17 формируется последовательность импульсов 60, которая поступает на вход 19 L-отводной линии 18 задержки. При этом на выходах 20-24 L-отводной линии задержки 18 формируются соответственно последовательности импульсов 61-65, а на выходах 26, 27 и 38, 39 схемы 25 совпадения формируются соответственно импульсные напряжения 66-69. Напряжение 66 с выхода 27 схемы 25 совпадения поступает на запуск синхронизирующего триггера 28, на -выходах 29 30 которого вырабатываются последовательности импульсных напряжений 41 и 42 типа меандр, а напряжение 67 с выхода 2|6 поступает на вход генератора 31 линейно изменяющегося напряжения, на выходе которого формируется пилообразное напряжеrine 46, поступающее на один вход схемы 32 Сравнения. На второй вход схемы 32 сравнения подается управляющее напряжение 45. Для обеспечения нормальной работы фазосдвнтающего блока 10 необходимо, чтобы при изменении величины управляющего напряжения 45 выще (диаграмма 70) или ниже (днаграмма 71) уровня пилообразного напряжения 46 не происходило сбоя в работе

синхронизируемого триггера 35. Предлагаемая структур блока 9 формирования задающих напряжений и фазосдвигающего блока 10 позволяет исключить возможность возникновения таких сбоев. На выходе схемы 32 сравнения в зависимости от величины управляющего напряжения 45 формируется напряжение, показанное на диаграммах 72- 74. При этом на выходе первой двухвходовой схемы И-НЕ 33, на один вход которой поступает последовательность импульсов 69 с выхода 38 схемы 25 совпадения, вырабатывается напряжение 75-77.

Соединение второй двухвходовой схемы И-НЕ 34 с выходом первой двухвходовой схемы И-НЕ 33 и выходом 39 схемы совпадения 25 обеспечивает такой режим работы, при котором в зависимости от уровня управляющего напряжения 45 на выходе двухвходовой схемы 34 формируется импульсное напряжение (диаграммы 78-80), обеспечивающее выработку последовательностей импульсов 43 и 44 на выходах 36 и 37 синхронизируемого триггера 35.

Дополнительное введение в состав преобразовательной установки двух N-канальных распределителей импульсов позволяет значительно улучщить энергетические характеристики предлагаемого технического рещения по сравнению с выбранным прототипом.

На выходе модулятора в предлагаемом техническом рещении, в отличие от прототипа, формируется высокочастотное квазисинусоидальное напряжение. При этом в отличие от известного технического рещения, где динамические потери составляют 5-7% от мощности нагрузки, при выпрямлении квазисинусоидального напряжения значительно уменьшается время коммутации тока вентилей высокочастотного напрямителя, что приводит к снижению динамических потерь в ключах модулятора до 1% от мощности нагрузки, а следовательно повыщает энергетические характеристики предлагаемой преобразовательной установки.

Следует также отметить, что формирование квазисинусоидального напряжения на выходе модулятора в предлагаемом техническом рещении (особенно при больщих мощностях преобразовательной установки) приводит к снижению уровня создаваемых установкой помех, оказывающих нежелательное влияние на работу окружающей аппаратуры, в результате чего уменьщается масса и габариты помехоподавляющих фильтров.

Формула изобретения 1. Преобразовательная установка,содержащая соединенные последовательно низкочастотный выпрямитель, низкочастотный сглаживающий фильтр, модулятор, выполненный в виде N однофазных инверторов, нагружённых на трансформаторы, выходные обмотки которых соединены последовательно и образуют общий выход модулятора, высокочастотный выпрямитель и высокочастотный сглаживающий фильтр, выход которого образует общий выход преобразовательиой установки, а также систему управления, содержащую блок формирования задающих напряжений, связанный с ним фазосдвигающий блок, и усилительно-развязывающий узел, выполненный в виде 2N оконечных усилителей мощности с трансформаторным выходом и связанный с управляющими

5 входами силовых ключей модулятора, отличающаяся тем , что, с целью улучщения энергетических характеристик путем уменьшения динамических потерь, она дополнительно снабжена двумя N-канальными распределителями импульсов, входы одного из которых подключены к выходам блока формирования задающих напряжений, другого - к выходам фазосдвигающего блока, а выходы обоих - к соответствующим входам усилительно-развязывающего узла.

0 тактовым входам N триггеров, кроме того, выходы К-го триггера соединены с управляющими входами К-1-го триггера, а управляющие входы N-ro триггера связаны с входами N-канального распределителя импульсов, при этом входы схемы удвоения частоты

образуют входы N-канального распределителя импульсов, а выходы каждого из Nтриггеров образуют выходы N-канального распределителя импульсов.

0Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

Г

П

1 I t

t

Vy

риг.1

I1Щ

ГЛ/хГ. f3.}0.

CBbin.f36,37 .

ж I

1J

to

Cput.3

фиг. 5