Преобразователь постоянного напряжения в однофазное переменное с амплитудно-импульсной модуляцией Советский патент 1983 года по МПК H02M7/515 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в регулируемых вторичньох источниках питания с синусо идальным выходом.

Известны автономные инверто я с амплитудно-импульсной мото ляцкей кривой выходного напряжения. В cxei Солтерса к первичной обмотке трансФорматора подсоединен параллельный инвертор, а три вторичных обмотки трансформатора подключаются в соответствунядей последовательности к нагрузке с помошью трех пар встречнопараллельно включенных тиристоров. В данном случае трансформатор работает на более высокой частоте по сравнению с выходно, что позволяет использовать трансформатор с меньшим весом и габаритатии 13.

Однако схема Солтерса не позволяет производит независимое от параметров активно-индуктивной нагрузки амплитудно-импульсное регулирование напряжения, что значительно сужает область ее применения.

Известен инвертор, который содержит однофазный мостовой инвертор с подвентильной коммутацией, к выходу которого подключен трансформатор

с секционированной вторичной обмоткой, каждый из промежуточных выводов которой соединен с выходными зажимами преобразователя через пары встречно-параллельно включенных тиристоров коммутатора, и имеет датчики тока в силовой цепи. Когда из-за активно-индуктивного характера нагрузки задерживается выключение какого10либо тиристора коммутатора, под воздействием датчиков тока схема управления вырабатывает импульсы на включение следуннцего тиристора коммутатора,который выключает предыду15щий тиристор и создает другой путь току самоиндукции нагрузки 2.

Недостатком такого инвертора яв-. ляется то, что расширение диапазон.а работы на активно-индуктивную нагруз20ку достигается за счет обратных связей силовых цепей инвертора с системой управления. Это увеличивает сложность системы управления и снижает надежность работы устройства в це25 лом, ухудшается помехозащищенность из-за связи системы управления с током нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь постоянного

30 напряжения в переменное,который содержит однофазный мостовой инвертор выходом подключенный к первичной обмотке трансформатора, вторичная о&мотка которого выполнена с отвода ми, причем один промежуточный отвод , связан с первым выходным выводом преобразователя, остальные промежуточные отводы вторичной обмотки и ее концы через встречно-параллельно включенные тиристоры коммутатора св заны с вторым выходным выводом преобразователя, а также тиристорный блок принудительной коммутации, выходные выводы которого через разделительные вентили связаны с силовыми электродами тиристоров коммутатора, и блок управления. С помощью блока принудительной коммутации в течение половины каждой полуволны выходного напряжения осуществляется принудительное выключение предыдущей пары тиристоров по окончании формировани каждого импульса напряжений, при этом ток самоийдукции нагрузки замыкается на конденсатор блока принудительной коммутации, а затем а последующее время переводится на следующую -пару тиристоров .3 . Недостатком такого преобразовател является наличие гальванической связи через блок принудительной коммутации входных и выходных цепей преоб разователя несмотря на наличие проме жуточного трансформатора. Это ограничивает функциональные возможности преобразователя для составного включения с другими аналогичными преобразователями при наличии тол ко одного источника питания. Кроме того, замыкание тока самоиндукции нагрузки при каждой коммутации на конденсатор блока принудительной ком мутации приводит к накоплению избыточной энергии на коммутирующем конденсаторе в функции тока нагрузки, ЧТО может привести к раскачку напряжения, а также к искажениям напряженин на нагрузке во время.выключени тиристора коммутатора. Цель изобретения - повышение функ циональной надежности преобразователя путем снижения перенапряжений на его элементах. Поставленная цепь достигается тем что в преобразователь постоянного напряжения в однофазное переменное с амплитудно-импульсной модуляцией, содержащий однофазный инвертор, выходом подключенный к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена с промежуточными отводами, один из которых связан с первым выходным выводом преобразователя, к остальным промежуточным отводам вторичной обмотки и к ее концам разноименными электродами подключены по два тиристора коммутатора, противоположные одноименные электроды которых объединены в анодные и катодные точки ссзответственно, блок принудительной коммутации с коммутирующими тиристором и первым конденсатором с тремя парами разделительных вентилей и с коммутирующими дросселями, а также блок управления, выполненный в виде последовательно связанных между собой задшощего генератора регулятора длительности импульаов с элементами управляемой задержки, нального распределителя импульсов, входом подключенного к задающему генератору , логического узла управления тиристорами коммутатора и тиристорами блока принудительной коммутации, включающего в себя логические элементы 2и,и связанной с задающим генератором и регулятором длительности импульсов схемы управления тиристорами инвертора, в его блок принудительной коммутации введены дополнительшлй тиристор и второй коммутирующий конденсатор, первые две пары разделительных вентилей соединены в схему коммутирующего моста, выводы переменного тока которого подключены к выходным выводам преобразователя, а выводы постоянного тока зашунтированыцепочкой из последова тельно включенных двух коммутирующихдросселей и дополнительного тиристора, между упомянутыми анодными и катодными точками тиристоров коммутатора подключена третья пара двух последовательно соединенных вентилей, точкой соединения, подключенная к одному выходному выводу преобразователя, и вторая цепочка из двух других коммутирующих дросселей и коммутирующего тиристора, первый и второй коммутирую1дае конденсаторы включены соответственно между анодами и катодами коммутирующего и дополнительного тиристоров, логический узел управления тиристорами блока принудительной коммутации .снабжен двумя дополнительными логическими элементами 2И, выход которых связан соответственно с дополнительным и коммутирунвдий тиристорами, причем первый вход первого дополнительного логического элемента 2И через элемент управляемой задержйи, а второй вход непосредственно подключены к выходу регулятора длительности импульсов и к одним входам логических элементов 2И логического узла управления тиристорами коммутатора, первый вход второго дополнительного логического элемента 2И через второй элемеят управляемой задержки также подключен к выходу регулятора длительности импульсов, второй его вход через введенный логический элемент ИЛИ подсоединен к соответствующим входам распределителя импульсов. На фиг. 1 и 2 приведена схема силовой части преобразователя постоя нрго напряжения в переменное и блока управления; на фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства. Силовая схема преобразовател-я содержит подключенный к зажимам 1 и 2 источника питания однофазный мостовой инвертор 3, собранный на полдостью управляёмглх тиристорах 4 - 7 и диодах моста обратного тока 4 - 7 а также промежуточный трансформатор 8, подключенный к выходу инвертора первичной обмоткой и имеющий секционированную вторичную обмотку, один из отводов 9 которой соединен с одним из выводов 10 преобразователя, а к остальным отводам 11, 12 и 1 для случая формирования трехступеячатого выходного напряжения подключе ны три пары тиристоров 14-15, 16-17, 18-19 коммутатора, катоды и аноды которых объединены соответственно в общие точки 20 и 21, три пары разделительных вентилей, причем первые две 22-25 образуют двуплечевой кшшутирующий мост 26, к зажимам по переменному току которого подключены первый 10 и второй 27 выходные выводы преобразователя, третья пара разделительных вентилей 28-29 подключена к общим точкам 20 и 21 объединени катодов и анодов тиристоров коммутатора, блок принудительной кс№1мутации, который содержит силовой 30 и коммутирующий 31 тиристоры, между одноименными электродами которых включены коммутирующие конденсаторы 32 и 33, при этом силовой ширистор подключен через коммутирующие дросс ли 34 и 3.5 к точкам 20 и 21 объединения анодов и катодов тиристоров ко мутатора, а коммутирующий тиристор подсоединен через коммутирующие дрос сели 36 и 37 к общим точкам объединения катодов и анодов разделительных вентилей коммутирующего моста 26 Блок управления преобразователя содержит последовательно включениае задающий генератор 38, первый элемент 39 задержки, регулятор 40 длительности импульсов, второй элемент 41.задержки, п-канальный распределитель Д2 импульсов, подключенюлй к выходу задающего генератора, (Связанную с задающим генератором 38 и регулятором длительности импульсов схему управления инвертором 43, которая собрана на двух триггерах 44 иМ5 и четырех схемах 2И 46-49, логический узел управления тиристорами коммутатора, собранный на двухвходовых схемах 50-59, логический узел управления блоком прину дительной коммутации, который состо ит из двух логических элементов 2И 60 и 61, которые через усилительноразвязыванидие каскады управляют соответственно силовым 30 и коммутирующим 31 тиристорами блока принудительной коммутации, элемент 62 задержки и логический элемент ИЛИ 63. Усилительно-развязывающие каскады блока управления преобразователем на схеме не приведены, однако возле стрелок указаны номера тиристоров преобразователя, для KOTojaax формируется соответствующий сигнгш управления. Силовая схема преобразователя работает следующим образе. Однофазный мостовой инвертор 3 на первичной обмотке трансформатора 8 формирует двухполярные импульсы напряжения регулируемой длительности Uj приведенные на фиг. 3т, где указан порядок включения силовых тири,стор6в 4-7 инвертора. Во время формирования нулевых напряжений попеременно включены либо анодная пара 5 и 6, либо катодная пара 5 и 7 тиристоров. Этим достигается с помощью указанных тиристоров и диодов 4г 6 моста обратного тока закорачивание трансформатора 8 по первичной обмотке независимо от направления тока в цепи нагрузки. Энергия, запасаемая в нагрузке, рассеивается в сакюй нагрузке. Ступенчатое напряжение на выходных зажимах преобразователя формируется с помощью тиристорного ксдамутатора, собранного на тиристорах 14 19. Порядок следования импульсов на включение тиристоров коммутатора при веден на фиг. 3 с,п,р,с и на кривой выходного напряжения преобразователя. (фиг. Зф). формирования трехступенчатого выходного напряжения независимо от параметров низкокосинусной активноиндуктивной нагрузки применена принудительная кокмутация тиристоров 14-19 коммутатора в первой половине каждого полупериода выходного напряжения. Импульсы управления, следующие на коммутирукадий и силовой тиристоры блока принудительной коммутации, приведены содтветственно на фиг. 3л, н. В течение времени t(j-t включены f фиг. ЗФ,н) одновременно тиристоры 14,15 И 30. Это приводит к подключению второго вывода 27 преобразователя к отводу 11 вторичной обмотки трансформатора 8 и формированию на нагрузке первого импульса напряжения. Напряжением, формируемым на выводах 27 и 10 преобразователя через диодный коммутирующий мост 26, коммутирующие дроссели 34-37 и силовой тиристор 30, заряжаются коммутирующие конденсаторы 32 и 33 в указанной на фиг. 1

полярности напряжения. В момент времени t одновременно инвертор 3 заканчивает формирование положительного напряжения на первичной обмотке трансформатора за счет выключения тиристора 7 и включения тиристора 6, также снимаются импульсы управления с тиристоров 14, 15 и 30 и подается импульс включения на коммутирующий тиристор 31. Включение тиристора приводит к закорачиванию диодного моста 26 по выходу и, тем

самым к закорачиванию нагрузки на себя на интервале времени Ц - 12 формирования нулевого напряжения инвертором 3. Включение тиристора 31 15 приводит к колебательному перезаряду коммутирующих конденсаторов 32 и 33 чррез тиристор 31, коммутирующие дроссели 34 и 35 и разделительные вентили 29 и 28 и, соответственно, 20 к принудительному выключению тиристора 30 в первую половину колебательного разряда от исходного напряжения на конденсаторах 32 и, 33 до нуля и к принудительному запиранию ти- 25 ристоров коммутатора во вторую половину колебательного перезаряда конденсаторов до противоположной полярности напряжения. В момент времени t. инвертор 3 переключается с нуле- зо вого напряжения на отрицательное и одновременно включаются тиристоры 16 и 17 коммутатора. Это приводит к дозаряду коммутирупщх конденсаторов 32

и 33 через тиристор 31/ комл тирую- « щие дроссели 34 и 35 в противоположной указанной на чертеже полярности до напряжения, снимаемого с отвода 12 вторичной обмотки трансформатора 8. Спустя время дозаряда конденса- . торов (фиг, Зн,п) включается силовой тиристор 30, что приводит к принудительному запиранию коммутирующего тиристора 31, подключению второго

зажима преобразователя 27 к отводу 12 вторичной обмотки трансформатора 8 и к формированию второго импульса напряжения на нагрузке на интервале времени 15 . Напряжением, формируемым на выводах 27 и 10 преобразователя через диодный коммутирующий 50 мост 26, коммутирующие дроссели 3437 и силовой тиристор 30, коммутирующие конденсаторы перезаряжаются до указанной на фиг, 1 полярности напр;яжения. Аналогично происходит выклю- 55 чение тиристоров 16 и 17 коммутатора по окончанию формирования второго импульса напряжения на нагрузке и подключение к выводу преобразователя третьей отпайки 13 трансформатора 8. 60

Во время формирования второй поовины каждой полуволны ступенчатого напряжения на нагрузке из-за отстаюего по фазе тока активно-индуктивой нагрузки происходит естествен- 65

ная коммутация тиристоров коммутатора, поэтому импульсы управления на коммутирующий тиристор не подаются (фиг. 3л, ф) и следуют только на один из тиристоров коммутатора и силовой тиристор блока коммутации.

Блок управления (фиг. 2 ) работает следующим образом.

Задающий генератор 38, регулируемый по частоте, формирует последовательность Импульсов, которая поступает на п канальный распределитель 42 импульсов, через первый элемент 39 задержки на регулятор 40 длительности импульсов. На выходе регулятора 40 длительности установлен второй Элемент 41 задержки. Сигналы элементов 38-41 (фиг. За, в, г, д поступают на управления однофазным состовым инвертором 43. Триггеры 44 и 45 хемы управления управляют через схемы 46, 47 и 48, 49 силовыми тиристорами инвертора 3. Сдвиг по фазе между сигналами триггеров 44 и 45 {фиг. 36, е)определяется регулятором 40 длительности иЬшуль сов. Сигналы с первого и второго элементов 39 и 41 задержки используются для создания необходимого времени восстановления управлякнцих свойств тиристоров 4-7, и, соответственно, их длительность задержки должна равняться времени восстановления применяемых тиристоров инвертора 3.

Управление тиристорами коммутатора происходит следующим образом.

Схемы 2И 50-59 логического уз- да управления тиристорами коммутатора подключены первыми входами к распределителю 42 импульсов, а вторыми входами - к выходу регулятора длительности импульсов. Сигнагал с выхода схем 2Й 50-59, согласно программе распределения импульсов, через усилительно-развязывающие каск-ады поступают на тиристоры 14-19 коммутатора (фиг. Зо, п, р, с).

Логический блок управления блоком принудительной коммутации импульсы на управление коммутирующим тиристором вырабатывает на выходе логического элемента 2И 61 в моменты времени, когда из-за активно-индуктивного характера нагрузки может произбй ти вырождение нулевой полки выходного напряжения и срыв работы преобразователя, т. е. в конце первого, второго, шестого и седьмого тактовых интервалов. Выходные зажимы указанных каналов распределителя 42 логический элемент ИЛИ 63, а также выход второго элемента 41 задержки подключены к входу логического элемента 2И 61, который вырабатывает импульсы управления (фиг. Зд ; коммутирующим тиристором, включение которого приводит к принудительному-выключению

всех тиристоров коммутатора и закорачиванию выводов преобразователя. Для управления силовым тиристором блока кo Ф«yтaции логический элемент 2И 60 вырабатывает сигнал под воздействием выходного сигнала регулятора 40 длительности тлпулъсов, однако укорочённый по переднему фронту на время задержки, определяемое элементом 62 задержки С Фиг., 3м, и ), что необходимо для проведения предварительного заряда коммутирующих конденсаторов.

В качестве инвертора может быть использована однофазная схема с..Нулевым выводоь4, который формирует прят моугольноевыходное напряжение (меандр). Поэтому в инверторе в этом случае используется только анодная пара тиристоров 4 и 6, подключенная анодами к зажиму 1 источника .питания а катодами - к крайним отводам первичной обмотки трансформатора 8, котрый, в свою очередь, снабжен щюиежуточньш отводсим для подключения к зажиму 2 источника питания.

Для реализации амплитудно-импульс ного регулирования величины выхсщного напряжения, а именно для создания на каждом тактовом интервале регулируемых по длительности нуле вых полок используется коммутирующий тиристор 31 и диодный KONWyTHIW щий мост 26.

в блоке управления преобразователем при этом изменений практически вносится очень мало. Так, для управления инвертором в схеме управления инвертором используются элементы, связанные только с задающим генератором, а именно триггер 44 и две схемы 2И 46 и 47,,выходные сигналы которых служат для попеременного управления тиристорами инвертора с нулевым выводом.

Для выработки сигнгшов управления на включение коммутирующего тиристора на каждом тактовом интервале используется сигнал с выхода второго элемента 41 задержки.

Такое построение силовой схемы и блока управления преобразователя применительно к трехступенчатому напряжению можно распространить на любое число формируемых ступеней напряжения на нагрузке.

Основные отрицательные особенности предложенного тиристорного преобразователя с амплитудно-иютульсной модуляцией кривой выходного напряжения от указанного в качестве прототипа заключаются в том, что исключена гальваническая связь Между входными и выходными цепями преобразователя , что расширяет функциональные возможности преобразователя для случая составного включения с другими преобразователями при наличии только одного источника питания. В предложенном преобразователе достоинством является использование общего блока принудительной коммутации для всех тиристоров коммутатора.

В известном преобразователе принудительн 1я кс мутадия тиристоров коммутатора может надежно осуществляться либо при нулевом напряжении на выходе инвертора, либо в случае, если ве- личина напряжения нсточйика питания, до заряжался хомиутвруюций конденсатор, больше величины формируемых ступенчатых напряжений на

5 нагрузке. В предлагаемом преобраэователе эти О11}аничения отсутству1вт, так как коммутирующие конденсаторы заряжаются до величин ступенчатого напряжения на нагрузке, Ш1РУЮТСЯ на данном тактовом интервале . Введенный в преобразователь блох принудительной кстмутации позволяет осуществлять принудительное шлключение тиристоров коммутатора, а также обладает важжжй особенностью по

5 закорачиванию через диодный коммутирующий мост нагрузки самой на : себя и, тем сакым, формированию нулевого напряжения на нагрузке. Это обстоятельство позволяет упрос0тить инвертор, используя на входе однофазный инвертор с нулевым выводом ф(% мирующ1й на выходе нерегулируемое прямоугольное по форме напряжение, а . аншлитудно-импульсное регулирование

5 осуществлять включением на каждом тактовом интервале блока принудительной когалутации. В известном преобразователе в момент коммутации на нагрузке появляются кокмутационные

0 перенапряжения, тогда как в предлагаемом они отсутствуют, так как при включении коммутирукиций тйристс закорачивает выходные выводы преобразователя

5

Формула изобретения

Преобразователь постоянного, esf пряжения в однофазное переменное с амплитудно-импуль сной модуля11ией, содержавший однофазный инвертор, выходом подключенный к первичной обмотке транформатора, вторичная обмотка которого выполнена, с промежуточны- . ми отводами, один из которых связан с первым выходом преобразователя, к остальным промежуточным отводам вторичной обмотки и к ее концам раз ноименными электродами подключены по два тиристора коммутатора, противоположные одноименные электроды кото рых объединены в анодные и катодные точки соответственно, блок принудительной коммутации с коммутирующими тиристором и первым конденсатором с тремя парами разделительных вентилей и с коммутирующими дросселями, а так же блок управления, выполненный в виде последовательно связанных между собой задающего генераторд, регулятора длительности импульсов с элементами управляемой задержки, п-кансшьного распределителя импульсо входом подключенного к задающему генератору, логического узла управления тиристорами коммутатора и тиристорами блока принудительной коммутации, включакядего в себя логические элементы 2И, и связанной с задающим генератором и регулятором длительности импульсов схемы управле- . ния тиристорами инвертора, отличающийся тем, что, с целью повышения функциональной надежности преобразователя путем снижения величины перенапряжений на его элементах, в его блок принудительной коммутации введены дополнительный тирис тор и второй коммутирующий конденсатор, пер|Вые две пары разделительных вентилей соединены в схему коммутирующего моста, вывода переменного тока которого подключены к выходным выводам преобразователя, а выводы постоянного тока зашунтированы цепочкой из последовательно включенных двух коммутирующих дросселей и дополнительного тиристора, между упомянутыми анс д{шми и катодными точ каым тиристоров коммутатора подключена третья пара двух последовательн соединенных вентилей, точкой соединения подключенная к одному выходному выводу преобразователя, и вторая цепочка из двух других коммутирующих дросселей и коммутирующего тиристора, первый и второй коммутирующие конденсаторы включены соответственно между анодами и катодами коммутирующего и дополнительного тиристоров, логический узел управления тиристорами блока принудительной коммутации снабжен двумя дополнительными логическими элементами 2И, выход которых связан соответственно с дополнительным и коммутируктщм тиристорами, причем первый вход первого дополнительного логического элемента 2И через элемент управляемой за- держки, а второй вход непосредственно подключены к выходу регулятора длительности импульсов и к одним входам логических элементов 2И логического узла управления тиристорами ксйлмутатора, первый вход второго дополнительного логического элемента 2И через второй элемент управляемой задержки также подключен .к выходу регулятора длительности импульсов, второй его вход через введенный логический элемент ИЛИ подсоединен к соответству1Шф1М входам распределителя импульсов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.41 анцузский патент 1 1281153, кл. Н 02 М, 1976. 2.Авторское свидетельство СССР 517133, кл. Н 02 Е 13/18, 1977. 3.Авторское свидетельство СССР, по заявке 2625758/24-07, кл, Н 02 М 7/537, 1978.

I i I ILiJI I I I

%r-I I-I

n n n n П.П n n n r

Д Й nDn n я n n n n

г I I 1.

r1 (1 nn

n

n n

n n n n n n пя n n n n г

зг

1 g Г-П Г-I I1 Г

Я gn П П n П n n

3 I i I I I I

пп

я и л

я я явПL

f6J7