Устройство преобразования постоянного напряжения в переменное (варианты)
Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при проектировании источников переменного регулируемого однофазного либо трехфазного синусоидального напряжения, предназначенного для систем централизованного питания. Устройство содержит N параллельно соединенных по входу преобразовательных ячеек 1, работающих на одну нагрузку и выполненных на М управляемых ключах. По первому варианту исполнения каждая из ячеек 1 выполнена по схеме однофазного инвертора с выходным трансформатором 4, а по второму варианту - по схеме Скотта. Для упрощения алгоритма управления при обеспечении синхронности работы управляемых ключей всех ячеек 1, каждый из М выходов блока управления 3 присоединен ко входу соответствующего расширителя 7 импульсов, который имеет N выходов, соединенных со входами синфазно управляемых ключей. Регулирование выходного напряжения осуществляется по принципу широтной модуляции, при этом дроссели 5 LC фильтров, формирующих синусоидальную форму выходного напряжения, параметрически обеспечивают выравнивание токовой загрузки инверторов преобразовательных ячеек.
Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при проектировании вторичных источников электропитания, задействованных в системах централизованного питания.
Известны устройства преобразования постоянного напряжения в переменное синусоидальное, состоящие из нескольких соединенных параллельно по входу преобразовательных ячеек, работающих на одну нагрузку. Ячейки, выполнены по схеме инверторов с выходными трансформаторами, вторичные обмотки которых соединены последовательно (1). Недостатком известного устройства (1) является сложность блока управления, включающего в себя в себя узлы регулирования, число которых соответствует числу преобразовательных ячеек. Кроме того для выравнивания токовой загрузки инверторов вторичные обмотки их трансформаторов соединены последовательно, что так же ведет к усложнению схемы и снижению надежности работы. Наиболее близким к данной полезной модели по обоим вариантам выполнения является устройство преобразования постоянного напряжения в переменное, содержащее N идентичных регулируемых преобразовательных ячеек, работающих на одну нагрузку и выполненных на М управляемых ключах. Выводы постоянного тока преобразовательных ячеек присоединены параллельно входным выводам, служащим для подключения к источнику постоянного напряжения, а выводы переменного тока подключены к соответствующим цепям первичных обмоток трансформатора, имеющего одну вторичную обмотку, подсоединенную к выходным выводам устройства (2).
Для формирования выходного синусоидального регулируемого напряжения каждая преобразовательная ячейка имеет собственный блок управления ключами, реализующий управление ими в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для достижения заданного качества выходного напряжения и надежной работы путем синхронизации работы синфазно управляемых ключей и
обеспечения одинаковой токовой загрузки параллельно соединенных ячеек в устройство введены дополнительные узлы синхронизации и три дополнительные контура регулирования токов в ячейках с измерительными и исполнительными узлами. Однако выбранные технические средства привели к значительному усложнению схемы и, следовательно, снижению надежности работы.
Техническим результатом, которого можно достичь при использовании первого варианта полезной модели, является повышение надежности работы путем упрощения схемы при формирований однофазного переменного выходного напряжения.
Технический результат по первому варианту выполнения устройства достигается тем, что в устройстве преобразования постоянного напряжения в переменное, содержащем N идентичных регулируемых преобразовательных ячеек, выводы постоянного тока которых присоединены параллельно входным выводам, служащим для подключения к источнику постоянного напряжения, при этом каждая преобразовательная ячейка содержит М управляемых ключей и выполнена по схеме инвертора, выводы переменного тока которого подсоединены к цепи первичной обмотки трансформатора, а блок управления, имеющий М выходов, измерительным входом подключен к выходным выводам, служащим для присоединения нагрузки (2), каждый из инверторов выполнен однофазным с соответствующим трансформатором, в указанную цепь первичной обмотки которого включен дроссель введенного LC фильтра, предназначенного для формирования синусоидального выходного напряжения, конденсатор введенного LC фильтра присоединен параллельно вторичной обмотке соответствующего трансформатора, при этом вторичные обмотки всех трансформаторов соединены между собой параллельно и подключены к выходным выводам, а каждый из М выходов блока управления подключен к входу соответствующего введенного расширителя, имеющего N выходов, соединенных соответственно с управляющими входами синхронно синфазно работающих управляемых ключей в N преобразовательных ячейках, причем блок управления выполнен обеспечивающим широтное управление управляемыми ключами инверторов с регулируемой паузой на нуле.
Техническим результатом, которого можно достичь при использовании второго варианта полезной модели, является повышение надежности работы путем упрощения схемы при
формировании трехфазного переменного выходного напряжения.
Технический результат по второму варианту выполнения устройства достигается тем, что в устройстве преобразования постоянного напряжения в переменное, содержащем N идентичных регулируемых преобразовательных ячеек, выводы постоянного тока которых присоединены параллельно входным выводам, служащим для подключения к источнику постоянного напряжения, при этом каждая из преобразовательных ячеек содержит М управляемых ключей, а блок управления, имеющий М выходов, измерительным входом подключен к выходным выводам, служащим для присоединения нагрузки (2), каждая преобразовательная ячейка выполнена в виде двух однофазных инверторов, работающих с взаимным сдвигом 90 Эл. Град., выводы переменного тока которых подключены к цепям первичных обмоток соответствующих трансформаторов, включающим в себя дроссели введенных LC фильтров, предназначенных для формирования синусоидальных выходных напряжений, конденсаторы LC фильтров присоединены параллельно вторичным обмоткам либо их частям соответствующих трансформаторов, соединенным между собой по Т-образной схеме, в которой вторичная обмотка трансформатора первого однофазного инвертора подключена одним из выводов к отводу от средней точки вторичной обмотки трансформатора второго однофазного инвертора и имеет промежуточный отвод, разделяющий ее на две части с соотношением витков 1:2, образуя нулевой выходной вывод преобразовательной ячейки, три фазные выходные вывода которой образованы свободными выводами вторичных обмоток трансформаторов первого и второго однофазных инверторов, при этом одноименные по фазе и нулевые выходные выводы всех преобразовательных ячеек соответственно соединены между собой и подключены к выходным выводам, а каждый из М выходов блока управления подключен к входу соответствующего введенного расширителя, имеющего N выходов, соединенных соответственно с управляющими входами синхронно синфазно работающих управляемых ключей в N преобразовательных ячейках, причем блок управления выполнен обеспечивающим широтное управление управляющими ключами инверторов с паузой на нуле.
Два варианта устройств отличаются друг от друга конкретным выполнением преобразовательных ячеек, которое ведет к различию вида выходного синусоидального напряжения: в первом варианте -это однофазное, во втором - трехфазное. Однако в обоих случаях имеет место одинаковый технический результат: повышение
надежности работы путем упрощения схемы при обеспечении синхронного управления ключами и выравнивания токовой загрузки параллельных ячеек, работающих на одну нагрузку, с помощью привлечения одинаковых технических средств, характеризуемых существенными признаками: введением расширителей импульсов и LC фильтров при одновременном переходе алгоритма управления ключами ячеек на широтное с регулируемой паузой на нуле.
На Фиг.1 и Фиг.2 представлены электрические схемы устройств по первому и второму вариантам исполнения.
Устройства (Фиг.1, 2) содержат N идентичных регулируемых преобразовательных ячеек 1, каждая из которых содержит М управляемых ключей 2. Выводы постоянного тока преобразовательных ячеек 1 присоединены параллельно входным выводам, служащим для подключения к источнику постоянного напряжения. Выходные выводы всех преобразовательных ячеек 1 соединены параллельно и подключены к выходным выводам устройства, служащим для присоединения нагрузки. К выходным выводам подключен измерительный вход блока управления 3 имеющего М выходов, соответствующих числу управляемых ключей в каждой ячейке.
Каждая преобразовательная ячейка 1 содержит один (по первому варианту Фиг.1) либо два (по второму варианту Фиг.2) однофазных инвертора с соответствующими трансформаторами 4. В цепь первичной обмотки трансформатора 4 каждого инвертора включен дроссель 5 LC фильтра, конденсатор 6 которого присоединен параллельно его вторичной обмотке. Каждый из М выходов блока управления 3 подключен к входу соответствующего расширителя 7 импульсов, имеющего N выходов, соединенных соответственно с управляющими входами синхронно синфазно работающих управляемых ключей 2 в N преобразовательных ячейках.
Каждая преобразовательная ячейка по Фиг.2 выполнена по схеме Скотта, в которой вторичные обмотки 8, 9 трансформаторов 4 двух инверторов, управляемых с взаимным сдвигом в 90 Эл. Град., соединены между собой по Т-образной схеме, а именно: вторичная обмотка 8 трансформатора 4 первого инвертора подключена одним из выводов к отводу от средней точки вторичной обмотки 9 трансформатора 4 второго инвертора и имеет промежуточный отвод, разделяющий ее на две части с соотношением витков 1:2, образуя нулевой выходной вывод преобразовательной ячейки. Три фазные выходные вывода преобразовательной ячейки 1 образованы свободными крайними выводами вторичных обмоток 8, 9.
Устройство работает следующим образом.
При подключении устройства к источнику постоянного напряжения блок управления 3 формирует М импульсов, каждый из которых преобразуется соответствующим расширителем 7 в N выходных сигналов, которые поступают на входы синхронно работающих управляемых ключей всех преобразовательных ячеек. Управляемые ключи инверторов преобразовательных ячеек работают в режиме широтной модуляции. На выводах переменного тока инверторов формируетсяпрямоугольноепеременноенапряжениес регулируемой паузой на нуле, а на выходных выводах преобразовательных ячеек - синусоидальное регулируемое. Формирование синусоидального напряжения из прямоугольного осуществляется при помощи LC фильтров, включенных в соответствующие цепи обмоток трансформаторов инверторов. Параметры фильтров рассчитаны на первую гармонику переменного напряжения, снимаемого с инверторов. Дроссели 5, рассчитанные на указанную гармонику, соответствующую частоте выходного напряжения, параметрически выравнивают токовую загрузку инверторов с точностью, определяемой лишь разбросом параметров дросселей.Для обеспечения синхронности переключения синфазно работающих ключей во всех ячейках использован расширитель 7 сигнала. Расширитель 7 может быть выполнен по любой схеме цифрового распределителя импульсов, например, см. кн.П.Четти«Проектированиеключевыхисточников электропитания» М., Энергоатомиздат, 1990 г., с.169.
Для формирования трехфазного регулируемого синусоидального напряженияпреобразовательные ячейки 1 выполняются по схеме Скотта, причем при необходимости можно задействовать только фазные выводы ячеек (для получения фазных напряжений) либо еще и нулевой вывод (для получения линейных напряжений). Таким образом переход на широтное управление ключами инверторов с необходимыми для формирования выходного синусоидального (как однофазного, так и трехфазного) формирующими LC фильтрами, упростил схемное решение задачи выравниваниятоковойзагрузкипараллельносоединенных преобразовательных ячеек благодаря тому, что дроссели указанных фильтров выполняют одновременно и роль уравнительных реакторов.
Введение расширителей сигналов обеспечило синхронизацию переключения синфазно работающих ключей в ячейках при значительном упрощении блока управления.
Устройства могут быть использованы в системах централизованного электропитания в качестве источников вторичного электропитания
для различного вида нагрузок, требующих подачу качественного однофазного либо трехфазного регулируемого напряжения.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:
Моин В.С. и Лаптев Н.Н. «Стабилизированные транзисторные преобразователи» М. Энергия, 1972 г. с.440.
JEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL 3, NO 3, 1988, p.278-285.
1. Устройство преобразования постоянного напряжения в переменное, содержащее N идентичных регулируемых преобразовательных ячеек, выводы постоянного тока которых присоединены параллельно входным выводам, служащим для подключения к источнику постоянного напряжения, при этом каждая преобразовательная ячейка содержит М управляемых ключей и выполнена по схеме инвертора, выводы переменного тока которого подсоединены к цепи первичной обмотки трансформатора, а блок управления, имеющий М выходов, измерительным входом подключен к выходным выводам, служащим для присоединения нагрузки, отличающееся тем, что каждый из инверторов выполнен однофазным с соответствующим трансформатором, в указанную цепь первичной обмотки которого включен дроссель введенного LC фильтра, предназначенного для формирования синусоидального выходного напряжения, конденсатор введенного LC фильтра присоединен параллельно вторичной обмотке соответствующего трансформатора, при этом вторичные обмотки всех трансформаторов соединены между собой параллельно и подключены к выходным выводам, а каждый из М выходов блока управления подключен к входу соответствующего введенного расширителя, имеющего N выходов, соединенных соответственно с управляющими входами синхронно синфазно работающих управляемых ключей в N преобразовательных ячейках, причем блок управления выполнен обеспечивающим широтное управление управляемыми ключами инверторов с регулируемой паузой на нуле.
2. Устройство преобразования постоянного напряжения в переменное, содержащее N идентичных регулируемых преобразовательных ячеек, выводы постоянного тока которых присоединены параллельно входным выводам, служащим для подключения к источнику постоянного напряжения, при этом каждая из преобразовательных ячеек содержит М управляемых ключей, а блок управления, имеющий М выходов, измерительным входом подключен к выходным выводам, служащим для присоединения нагрузки, отличающееся тем, что каждая преобразовательная ячейка выполнена в виде двух однофазных инверторов, работающих с взаимным сдвигом 90 эл. град., выводы переменного тока которых подключены к цепям первичных обмоток соответствующих трансформаторов, включающим в себя дроссели введенных LC фильтров, предназначенных для формирования синусоидальных выходных напряжений, конденсаторы LC фильтров присоединены параллельно вторичным обмоткам соответствующих трансформаторов, либо их частям соединенным между собой по Т-образной схеме, в которой вторичная обмотка трансформатора первого однофазного инвертора подключена одним из выводов к отводу от средней точки вторичной обмотки трансформатора второго однофазного инвертора и имеет промежуточный отвод, разделяющий ее на две части с соотношением витков 1:2, образуя нулевой выходной вывод преобразовательной ячейки, три фазные выходные вывода которой образованы свободными выводами вторичных обмоток трансформаторов первого и второго однофазных инверторов, при этом одноименные по фазе и нулевые выходные выводы всех преобразовательных ячеек соответственно соединены между собой и подключены к выходным выводам, а каждый из М выходов блока управления подключен к входу соответствующего введенного расширителя, имеющего N выходов, соединенных соответственно с управляющими входами синхронно синфазно работающих управляемых ключей в N преобразовательных ячейках, причем блок управления выполнен обеспечивающим широтное управление управляющими ключами инверторов с паузой на нуле.
