туры преобразователя. Можно выделить два основных принципа реализации структур: с суммированием напряжений в узле или в контуре. Известен преобразователь, который при суммирован| | напряжений в узле содержит один однофазный инвертор с трансформаторным выходом и дополнительные ключи, формирующие напряжение с АИМ за счет переключения отпа ек соответствующих обмоток трансформатора, первичной или вторичной 1} и 2, Известен также преобразователь, который при суммировании напряжений в контуре содержит несколько однофаз ных инверторов с одинаковыми алгЬрит мами управления, но сдвинутыми по фазе в каждом инверторе относительно соседних инверторов ГЗЗ или с разными (но сфазированными по основ ной гармонике) алгоритмами причем каждый инвертор нагружен на тран форматор, выходные обмотки которых соединены последовательно. Структуры преобразователей с суммированием напряжений в узле (с переключением отпаек на вторичной стороне трансформатора) характеризуются повьниенной частотой работы согласующего трансформатора, что позволяет получить хорошие массо-габаритные показатели преобразователя в целом. Наиболее близким к предлагаемому является способ, в котором осуществляется регулирование (стабилизация) выходного напряжения преобразователей с суммированием напряжений в узле. Данный способ регулирования осуществляют путем инвертирования постоянного напряжения в переменное на пряжение промежуточной высокой частоты и формирования выходного напряжения многоступенчатой формы заданной частоты преобразованием переменного напряжения промежуточной высокой частоты в разные уровни многоступенчатого выходного напряжения и последующей его демодуляции. Регулирование величины выходного напряжения осуществляют за счет того, что на каждом интервале квантования выходного напряжения обеспечивают формирование двух уровней напряжений основного напряжения и ближайшего к нему по уровню меньшего напряжения. На интервалах квантования с наименьшим уровнем напряжения в моменты, соответствующие углам регулирования, вводят уровни с нулевым потенциалом. Таким образом, осуществляется регулирование напряжения с АИМ посредством так называемого неоптимального частичного щиротно-импульсного регулирования (ЧШИР) С5. К недостаткам данного способа можно отнести невысокое качество выходного напрянсения преобразователя при его регулировании или стабилизации (например, при изменении напряжения питающей сети в пределах i15), Цель изобретения - уменьшение искажений выходного напряжения в заданном диапазоне его регулирования (стабилизации). 3та цель достигается тем, что используется способ, который осуществляется путем инвертирования постоянного напряжения в переменное напряжение промежуточной высокой частоты и формирования выходного напряжения многоступенчатой формы заданной частоты преобразованием упомянутого переменного напряжения промежуточной высокой частоты в разные уровни многоступенчатого выходного напряжения и последующей его демодуляции. Регулирование величины выходного напряжения осуществляют путем введения регулировочных интервалов, количество которых кратно числу полупериодов напряжения промежуточной высокой частоты на.полупериоде выходного напряжения и формирования на каждом из указанных интервалов выходного напряжения в виде двухступенчатых импульсов. Указанное формирование в виде двухступенчатых импульсов осуществляют преобразованием переменного напряжения промежуточной высокой частоты на каждом его полупериоде в двухступенчатые импульсы, при этом длительность нижней ступени импульса выбирают равной длительности регулировочного интервала, а заданный диапазон регулирования обеспечивают соответствующим соотношением двух ступеней напряжения промежуточной высокой частоты. На каждом интервале квантования выходного напряжения обеспечивают формирование основного и добавочного напряжения с соотношением ступеней, оптимизированным по минимуму коэффициента гармоник напряжения, что позволяет получить минимальные его искажения. Указанный способ обозначим как способ оптимального частичного широтно-импульсиого регулирования (ЧШИР).
На фиг. 1а представлена принципиальная схема силовой части преобразователя, осуществляющего способ; на фиг. 16 - блок-схема устройства для управления преобразователем,позволяющего осуществить способ; на фиг. 2а-г - времейные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя по предлагаемому способу при N 2, р 2, с паузой; на фиг. 3 принципиальная схема устройства управления преобразователем для осуществления способа преобразования постоянного напряжения в переменное с регулированием его величины; на фиг. k - временные диаграммы,поясняющие работу устройства управления, выполненного по фиг. 3; на фиг.5 зависимости коэффициента гармоник выходного напряжения и амплитуды его первой. гармоники (Ц) от величины регулировочного интервала для известного способа {неоптимальное ЧЩИР и предлагаемого способа (оптимальное ЧШИР) при N 4, р 1, без паузы.
Принцип формирования управляющих сигналов ключей модулятора и демодулятора при формировании кривых выходного напряжения по предлагаемому способу поясняется временными диагра мами на фиг. 2а-г, где показаны: и, и/ - сигналы управления, подаваемые на. входы ключей 1-6 модулятора 7; - форма напряжения на первичной обмотке 8 трансформатора 9; Uxn««U 2) сигналы управления, подаваемые на управляющие входы ключей 10-13 демодулятора U - форма выходного напряжения преобразователя с параметрами N 2, р 2, с паузой
Ранее по известному способу преобразование постоянного напряжения в переменное с регулированием его величины осуществлялось путем инвертирования постоянного напряжения в переменное напряжение промежуточной высокой частоты и формирования выходного напряжения многоступенчатой формы заданной частоты, причем на каждом интервале квантования выходного напряжения обеспечивалось формирование двух уровней напряжений основного напряжения и ближайшего к нему по уровню меньшего напряжения. Таким образом, осуществлялось регулирование напряжения с ДИМ посредством так называемого неоптимального
частичного широтно-импульсного регулирования (ЧШИР). С целью уменьшения искажений выходного напряжения в заданном диапазоне его регулирования (стабилизации) перемэнное напряжение промежуточной высокой частоты на каждом его полупериоде формируют в виде двухступенчатых импульсов (фиг. 26), длительность нижней ступени импульса равна длительoности регулировочного интервала (tj),, а заданный .диапазон регулирования обеспечивают соответствующий соотношением двух ступеней напряжения промежуточной высокой частоты.
S
Для иллюстрации выбирают число ин тервалов квантования на полупериоде выходного напряжения равным пяти (фиг. 2г) и каждый интервал квантования (t,) разбивают на два подин0тервала.
На интервале tg. ..t формируют отпирающие сигналы для ключей 3 и 5 модулятора 7, ключа 11 демодулятора 14 и запирающие сигналы для ключей
5 1, 2, 4, 6 модулятора и ключей 10, 12, 13 демодулятора. Зтим обеспечивают формирование паузы между полуволнами выходного напряжения, так как однЬвременно замыкают пару клюOчей, подсоединенных к общей точке цепи питания.. На подинтервале t....t,4 формируют отпирающие сигналы для. ключа Ц модулятора и ключа 11 демодулятора и запирающие сигналы для клюSчей 2, 3м 6 модулятора и ключей 10, 12, 13 демодулятора. Для 1-го и ключей модулятора на этом же подинтервале формируют изменяющиеся, широтно-модулируемые сигналы, длитель0ность которых изменяется в функции изменения дестабилизирующих возмущений со стороны как первичного источника, так к потребителя. Тем самым автоматически изменяют длитель5ность проводящего состояния силовых транзисторов 1 и 5 модулятора 7. В результате осуществляют автоматическое переключение отпаек первичной обмотки 8 трансформатора 9, что о.беспечивает изменение коэффициента трансформации трансформатора в пределах подинтервала t ... t и формирование на данном подинтервале двухступенчатого импульса (фиг. 26). Длительность нижней ступени импульса .(tn) равна длительности регулировочного интервала выходного напряжения преобразователя. На подинтервале
trj. .. 1л формируют отпирающие сигналы для ключа 3 модулятора 7 и ключа 12 демодулятора 14 и запирающие импульсы для ключей 1, f 5 модулятора и ключей 10, 11, 13 демодулятора 14. .Для управления.2-ым и 6-ым ключами модулятора формируют широтно-регулируемые сигналы управления, аналогичные сигналам соответственно 1-го и 5-го ключей, а на первичной обмотке 8 трансформатора 9 формируют отрицаteльный двухступенчатый импульс переменного напряжения, промежуточной высокой частоты (фиг. 26 ). Полярность обмоток трансформатора такова, что на интервале t...tj на нагрузке формируют первый (наименьший) уровень положительной полуволны выходного напряжения U- (фиг. 2г), Принцип дальнейшего формирования управляющих сигналов ясен из последующего рассмотрения временных диаграмм на фиг. 2 и аналогичен рассмотренным ситуациям. При этом на каждом подинтервале квантования выходного напряжения U обеспечивают формирование основног® (U°mcix) и добавочного () зпряжений с соотношением ступеней, оптимизированным по минимуму коэффициента гармоник напряжения, что позволит получить минимальные его искажения.
Заданный диапазон регулирования (стабилизации) выходного напряжения обеспечивают соответствующим, соотношением двух ступеней напряжения промежуточной высокой частоты (.фиг, 26).
В области максимальных изменений дестабилизирующих факторов формируют управляющие импульсы для ключей 1 и 5 2 и 6 модулятора, обеспечивающие формирование выходного напряжения без регулирования. Так при t(,,g tj,/4 на подинтервале t....trj формируют запирающий сигнал для ключа 1 и отпирающий сигнал для ключа 5 э на подинтервале t.. ..tj - Запирающий сигнал для ключа 2 и отпирающий CHI- нал для ключа 6. В результате на первичной обмотке 8 трансформатора 9 формируют одноступенчатое переменное напряжение промежуточной высокой частоты, а на нагрузке - первый уровень основного напряжения {U). При минимальном регулировочном интервале (4miri ° интервале t...t формируют отпирающие сигналы для ключей 1 и 2 и запирающие сигналы для ключей 5 и 6 модулятора, обеспечивая тем самым на нагрузке формирование первого уровня добавочного напряжения ().
Для осуществления способа преобразования постоянного напряжения в регулируемое переменное предлагается устройство, показанное на фиг. 1а,б.
Наи&олее близким техническим решением к предлагаемому является устройство,, содержащее однофазный мостовой инвертор, силовыми входными выводами подключенный к сети постоян,ного тока и нагруженный на первичную обмотку трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора выполнена с отпайками связанными с выходными выводами устройства через управляемые ключи с двухсторонней проводимостью, образующие демодулятор. Для управления ключами инвертора .и демодулятора используется блок управления, состоящий из последовательно соединенных между соб1эй задающего генератора, распределителя импульсов и логического узла перераспределения этих импульсов, а также модулятор ширины импульсов, входом соединенный с выходом задающего генератора, причем выходы логического узла связаны с управляющими входами ключей однофазного инвертора и ключей демодулятора.
В отличии от известного устройства, первичная обмотка трансформатора предлагаемого выполнена с отпайками, которые подключены к каждому силовому входному выводу однофазного мостового инвертора через дополнительно введенные полностью управляемые ключи с двухсторонней проводимостью, причем управляющие входы этих клюМей, а также ключей однофазного инвертора соединены через упомянутцй логический узел перераспределения импульсов с выходом модулятора ширины импульсов.
Устройство (фиг. 1а,б), реализующее способ преобразования постоянного напряжения в переменное с регулированием его величины, содержит однофазный мостовой инвертор, выполненный на ключах 1-4, силовыми входными выводами подключенный к сети постоянного тока и нагруженный на первичную обмотку В трансформатора 9. Первичная обмотка трансформатора 9 выполнена с отпайками, которые подключены к каждому силовому входному выводу однофазного мостового инвертора через дополнительно введенные полностью :управляемыеключи 5 и 6 с двухсторонней проводимостью. Для удобства однофазный мостовой инвертор, выполненный на ключах 1- и дополнительно введенные ключи 5 и 6 с двухсторонней проводимостью обозначим модуля тором (М) 7. Вторичная обмотка трансформатора 9 выполнена с отпайками, связанными с выходами выводами устройства через управляемые ключи 10-13 с двухсторонней проводимостью, образующие демодулятор (Д) k. Блок управления состоит из последовательно соединенных между собой задающего генератора 15, распределителя 16 импульсов и логического узла 17 перераспреде:ления этих импульсов, формирующего управляющие сигналы для ключей модулятора 7 и демодулятора И. Модулятор 18 ширины импульсов входом соединен с выходом задающего генерато
ра 15, причем управляющие входы кш)чей 1, 2 и 5, 6 модулятора 7 связаны через логический узел 17 с выходом модулятора 18 ширины импульсов. На фиг. 3 приведена, принципиальная схема устройства управления преобразователем, выполненным по фиг, 1а, для реализации способа. Это устройство управления содержит упомянутые ранее задающий генератор 15, распределитель 16 импульсов, логический узел 17, модулятор 18 ширины импульсов 18 и усилительно-развязывающий узел 19. В состав логического узла 17 перераспределения импульсов входят триггер 20, двухвходовые логические элементы И-НЕ 21-28, двухвходовые логические элементы И Э-З, трехвходовые логические элементы И , трехвходовые логические эле.менты ИЛИ 37-38 и логические 2-2И-ИЛИ .
Устройство для осуществления способа преобразования постоянного на|ПряжеНия в переменное с регулированием его величины работает следующим образом.
Задающий генератор 15 определяет выходную частоту преобразователя и осуществляет синхронизацию работы отдельных узлов. Модулятор 18 ширины импульсов по сигналу осуществляет изменение длительности регулировочного интервала (t), и может быть выполнен, например, в виде генератора 3 пилообразного напряжения и компаратора . Ко входным выводам логического узла 17 перераспределения импульсов подключены выводы распредеUl8
для МШИ и 15 для Зг:
Ь.
для РИ: , , ,
и
:
y-(.
и:
. для триггера 20 в логическом уз5ле : i h
Выходные .сигналы, снимаемые с выходов логического узла 17 (или, что условно одно и то же с выходов УРУ 19) обозначим как и,...Do , где цифровые индексы соответствуют номерам ключей модулятора 7 и демодулятора Т на фиг. 1а.
Логический узел 17 из сигналов ЗГ, ИШИ и РИ формирует сигналы для управления клю.чами модулятора и демодулятора , которые определяются следующими логическими выражениями; Ui (b-c)-a U (b-c)-a Ua b-c
b-c
U
U5 (bc)-(b-c)-a
U (Б-с)-(Б-с)-а
Цр {b-c-f)h lbC-f|-- h
U(c-fb.d4b.q)h (d b4b-q)h
a« {c -b-d-(-b.q)h-I- {b-d+b-q)h
.f. b).h- (b-e-f)-h
Этими десятью логическими выражениями в данном конкретном примере (при числе ступеней выходного напряжения UH на четверти периода N 2 и при числе ключей демодулятора, равном 2N) определяется функциональная характеристика логического узла 17 и все его внутренние и внешние взаимосвязи с ЗГ, МШИ и РИ.
Как следует из временных диаграмм (фиг. 2а-г), формирование выходного лителя 16 импульсов и модулятора 18 ширины импульсов. Выходные выводы логического узла подключены к усилительнотразвязывающему узлу 19 и образуют выходные выводы блока управления для подключения к управляющим вхЬдам ключей 1-6 модулятора 7 и ключей 10-13 демодулятора 1. Принцип формирования управляющих сигналов и.,.и для ключей 1-6 модулятора 7 и управляющих сигналов ...U для ключей 10-13 модулятора Н поясняется временными диаграммами на фиг. j, а также с помощью языка Булевой алгебры, который е формализованной . форме фикЬирует все необходимые связи. С целью упрощения записи логических выражений введем следующие обозначения выходных сигналов (импульсов), напряжения преобразователя (Ыц) осуществляют путем инвертирования постоянного напряжения в переменное напряжение () промежуточной высокой частоты, трансформации этого напряжения с помрщью трансформатора 9 и формирования выходного напряжения многоступенчатой формы заданной частоты за счет соответствующего переключения отпаек вторичной обмотки трансформатора 9 с помощью ключей 10-13 демодулятора I. Регулирование (стабилизацию) вели чины выходного напряжения осуществляют за счет модуляции (в функции изменения дестабилизирующих возмущений со стороны как первичного источника, так и потребителя) ширины управляющих импульсов подаваемых на силовые транзисторы 1, 2 и 5, 6 (фиг. 2а и фиг, 4) стоек модулятора 7, выполняемой с помощью модулятора 18 ширины импульсов, выход которого через логический узел 17 связан с уп равляоцими входами транзисторов 1 и 2, 5 и 6. (фиг. 16 и фиглЗ), изменяющееся в функции изменения дестабилизирующих факторов, является стабилизирующим сигналом, а блок управления, отслеживая изменение. Uy, автоматически изменяет длительность проводящего состояния силовых транзисторов 1, 2 и 5, 6 модулятора 7. В результате происходит автоматическое переключение отпаек первичной обмотки трансформатора 9, что обеспечивает изменение коэффициента тран формации трансформатора в пределах каждого полупериода напряжения U (фиг. 26) промежуточной высок9Й частоты. Числа витков первичной обмотки W и отпайки W трансформатора 9 выбирают таким образом, чтобы изменени коэффициента трансформации обеспечивало формирование основного (,,,) и добавочного (Уц) напряжения (г. 2г) с соотношением ступеней, о тимизированным по минимуму коэффициента гармоник напряжения. При этом обеспечивается оптимальное частичное широтно-импульсное регулирование (ЧШИР) выходного напряжения преобразователя, что позволяет получить минимальные его искажения. Заданный диапазон регулирования (стабилизации выходного напряжения обеспечивают соответствующим соотношением чисел витков первичной обмотки (W) и отпайки трансформатора (W), что обеспечивает соответствую щее соотношение двух ступеней напряжения (Uw) промежуточной высокой частоты (фиг. 26). Для примера на фиг. 5 представяе ны зав1гсИмости коэффициента гармоник выходного напряжения преобразователя в функции угла регулированияо. для случая оптимального (сплошные ли нии) и неоптимального ЧШИР (параметры выходного напряжения преобразователя: N 4, р 1, без паузы), позволяющие судить о преимуществе оптимального ЧШР. В заданном диапазон. регулирования (например ±15%) предлагаемый способ регулирования позволяет вдвое уменьшить )). В случае получения повышенных выходных мощностей преобразователя при ограниченных возможностях элементной может оказаться рациональным расчленение преобразователя на п параллельных каналов с последовательно соединенными выходами. Наряду с решением задачи наращивания мощности при этом, за счет сдвига на соответствующие фиксированные фазовые углы выходных напряжений каналов, можно получить соответственно меньшие искажения результирующего выходного напряжения преобразователя в сравнении с искажениями выходного напряжения любого из каналов. При этом следует отметить, что величина фазового сдвига доследующего напряжения по отношению к предыдущему определяется числом п суммируемых напряжений и равна t ; ty,/n, где ty, - длительность разновременных интервалов квантования уровней выходного напряжения каждого из каналов. В зависимости от требований к качеству выходного напряжения преобразователя суммируют выходные напряжения двух каналов (коэффициент гармоник напряжения равен 0,090) или четырех каналов () 0,05). Устройство с многофазным выходом может быть построено по модульному принципу из соответстующего числа указанного варианта устройства с однофазным выходом. Предлагаемый способ регулирования выходного напряжения преобразователя и устройство для его осуществления могут применяться в тех случаях, когда требуется преобразование постоянного напряжения в переменное, согласование уровней напряжения питающей сети и потребителя, повышенное качество преобразованной электрической энергии и приемлемые массогабаритные показатели источника, а также стабилизация выходного напряжения при определенном уровне дестабилизирующих возмущений со стороны как первичного источника так и потребителя.
Формула изобретения
1,Способ преобразования постоянного напряжения в переменное с регулированием его величины путем инвертирования постоянного напряжения в переменное напряжение промежуточной высокой частоты и формирования выходного напряжения многоступенчатой формы заданной частоты за счет преобразования упомянутого переменного напряжения промежуточной высокой частоты в разные уровни многоступенчатого выходного напряжения и последующей его демодуляции, причем регулирование величины выходного напряжения осуществляют путем введения регулировочных интервалов, количество которых кратно числу полупериодов напряжения промежуточной высокой частоты на полупериоде выходного напряжения, и формирования на каждом из указанных интервалов выходного напряжения в виде двухступенчатых импульсов, отличающийс я тем, что, с целью уменьшения искажения выходного напряжения в заданном диапазоне его регулирования, указанное формирование в виде двухступенчатых импульсов осуществляют преобразованием переменного напряжения промежуточной высокой частоты на каждом его полупериоде в двухступенчатые импульсы, причем длительность нижней ступени импульса выбирают равной длительности регулировочного интервала, а заданный диапазон регулирования обеспечивают соответствующим соотношением двух ступеней напряжения промежуточной высокой частоты.
2.Устройство для преобразования постоянного напряжения в регулируемое переменное, включающее в себя однофазный мостовой инвертор, силовыми входными выводами подключенный к сети постоянного тока и нагруженный на первичную обмотку трансформатора,
вторичная обмотка которого выполнена с отпайками, связанными с выходными выводами через управляемые ключи с двухсторонней проводимостью, образующие демодулятор, блок управления,
состоящий из последовательно соединенных между собой задающего генератора, распределителя импульсов и логического узла, перераспределителя этих импульсов, формирующего управляющие импульсы для переключения клю чей преобразователя в заданной последовательности, а также модулятор ширины импульсов, входом соединенный с выходом задающего генератора, о т личающееся тем, что первичная обмотка трансформатора выполнена с отпайками, которые подключены к каждому силовому входному выводу однофазного мостового инвертора через дополнительно введенные полностью управляемые ключи с двухсторонней проводимостью, причен управляющие входы этих ключей, а также ключей однофазного инвертора, соеди нены через упомянутый логический узел перераспределения импульсов с выходом модулятора ширины импульсов.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1 .Авторское свидетельство СССР по заявке №280б2Э, кл. Н 02 Н ,1968,
2.Мельничук Л.П., Кравченко В.А, Об уменьшении весо-габаритных показателей вторичных источников питания. Сб. Повышение эффективности устройств преобразовательной техники, ч. k, Киев, Наукова думка, 1973, 127-136.
3.Руденко B.C. и др. Разработка и исследование тиристорного преобразователя частоты с улучшенной формой выходного напряжения. Сб. Современные задачи преобразовательной техники, ч. , Киев, Наукова думка,
1975. с. 126-135.
Ji. Бедфорт В., Хофт Р. Теория автономных инверторов, Энергия, 196$.
5. Авторское свидетельство СССР по заявке № ). - . кл. Н 02 М 7/W/H 02 М 7/517, .02.08.7 (прототип).
«y
ll
t/f
rL n n n
n n nn in nn fin nn nn nn nn nn
n
№з
n n n n
n n n n
Ч t
L inпгт nn ПП nn nn nn nn
(1и
KM
HeonmuHO/i HX nuiuk - DnmuHO/itHse niuup.
/1
6 QM Q6 0,8 1.0 Фиг.5
